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Dampf-Flüssigkeitsseparator
Die Erfindung bezieht sich auf die Trennung von Dämpfen und Flüssigkeiten und betrifft einen Hochleistungsseparator, mit axialem Durchfluss, der besonders zur Trennung von Dampf und kochendem Wasser verwendbar ist. Derartige Separatoren werden gewöhnlich als Dampfseparatoren bezeichnet.
Der Dampf wird in der industriellen Praxis häufig als Heizmedium oder zum Antrieb von Maschinen, wie Kolbendampfmaschinen, Dampfturbinen u. dgl., verwendet. In fast allen Anwendungsfällen soll der Dampf"trocken", d. h. frei von Wasser in flüssiger Phase sein. Dies ist besonders wichtig, wenn der Dampf Antriebsmaschinen der vorstehend erwähnten Arten speist, weil eine übermässige Wasseransammlung im Zylinder einer Kolbendampfmaschine zu einer Zerstörung des Zylinders führen kann, während eine übermässige Wasseransammlung in Dampfturbinen eine Erosion der Turbihenschaufeln und der Düsen zur Folge hat.
In üblichen Dampfanlagen, wo der Dampferzeuger mit fossilen Brennstoffen, wie Kohle, Öl oder Gas gefeuert wird, besteht gewöhnlich kein grosses Bedürfnis nach Hochleistungs-Dampfseparatoren, d. h. nach Separatoren, die bei sehr kleinen Abmessungen sehr grosse Mengen von Dampf-Wasser-Gemischen verarbeiten können. EinBeispielhiefür sind Hochleistungskessel mit einem Oberkessel, der über beheizte Wasserrohre mit einem Gemisch von Wasser und Dampf gespeist wird. Die Fähigkeit eines solchen Oberkessels zum Abtrennen des Dampfes kann beträchtlich erhöht werden, indem der Oberkessel mit individuellen Dampfseparatoren in Zentrifugalausführung ausgestattet wird.
Diese Separatoren nehmen das Dampf-Wasser-Gemisch durch die Oberkesselwand auf, geben den Dampf in den oberen Teil des Kessels zur Abfuhr zum Verbraucher ab und führen das abgeschiedene Wasser dem unteren Teil des Kessels zur neuerlichen Verdampfung zu. Selbst bei Hochleistungskesseln dieser Art liegt kein Anreiz zur Entwicklung von Hochleistungs-Dampfseparatoren vor, weil die Dampfabtrennung in einem Oberkessel mit eingebauten Separatoren der erwähnten Art ohne weiteres in günstigster und wirtschaftlichster Weise durch Vergrösserung der Länge des Oberkessels und der Anzahl der eingebauten Separatoren verbessert werden kann. Solche Oberkessel sind in der USA-Patentschrift Nr. 2, 648, 397 beschrieben.
In neuerer Zeit werden nun aber für die Dampferzeugung Kernreaktoren herangezogen, in deren Reaktorkern eine Kettenreaktion von Kernspaltungen aufrecht erhalten wird, um Wärme freizusetzen, die sodann zwecks Dampferzeugung einer siedenden Wassermenge zugeführt wird. Der Aufbau und die Arbeitsweise von solchen Siedereaktoren sind an sich bekannt und z. B. in dem Buch "Boiling Water Reac- tors"von Andrew W. Kramer, Addison-Wesley Publishing Company (1. 958) beschrieben. Die Siedereaktoren arbeiten hauptsächlich als Wärmequellen und liefern ein Gemisch von Wasser und Dampf, das anschliessend getrennt werden muss.
Bei den üblichen Reaktoren mit geringer Leistungsdichte wird derDampf abgetrennt, indem im Reaktorgehäuse oberhalb des Reaktorkernes eine freie Flüssigkeitsoberfläche auf- recht erhalten wird, wie dies inProceedings of the International Conference on thePeacefulUses of Atomic Energy, 1955, Band 3, Seite 56 ff. und Seite 250 ff. beschrieben ist. In einer solchen Anlage ist aber die je Zeiteinheit von der Flüssigkeit abtrennbare Dampfmenge auf einen Wert beschränkt, der dem Produkt der freien Flüssigkeitsoberfläche und der maximalen Oberflächengeschwindigkeit entspricht, mit welcher der Dampf von dieser Oberfläche ohne übermässige Mitnahme unverdampften Wassers abgezogen werden kann. Diese maximale Geschwindigkeit. hängt vom Druck und von der Temperatur in der Anlage ab und beträgt z.
B. bei einem Druck von 70 at und einer Temperatur von 2670C etwa 0, 31 m/sec. Der so ab-
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getrennte Dampf enthält aber immer noch mehr als 6 Gew.-% mitgenommenes Wasser in flüssiger Phase und muss in einem Dampf trockner getrocknet werden, um auf den für Dampfturbinen, die von Siedereaktoren gespeist werden, zulässigen Feuchtigkeitsgehalt von höchstens 0, 1 Gew.-% zu kommen. Diese 0, 10/0 Grenze ist niedriger als bei üblichen Dampferzeugern, um radioaktive Ablagerungen in der Turbine einzuschränken.
Siedereaktoren mit höherer Leistungsdichte erfordern deshalb eine besondere Ausstattung mit Dampfseparatoren. So ist z. B. der 192 Megawatt-Siedereaktor in Dresden-Station bei Chicago mit einem Oberkessel versehen, der sich ungefähr 25 m über dem Reaktordruckkessel befindet. Der Oberkessel hat etwa 2, 5 m Durchmesser, eine Länge von etwa 20 m und enthält ungefähr 290 individuelle Dampfseparatoren.
DasDampf-Wasser-Gemisch des Reaktors wird den Separatoren in einer Menge von etwa 12. 106 kg je Stunde durch eine Vielzahl von Steigrohren und ein Sammelrohr zugeführt. Das abgetrennte Wasser gelangt vom Oberkessel durch Fallrohre in einer Menge von etwa 11, 3. 106 kg je Stunde wieder in den Reaktor zurück. Der hochliegende Oberkessel und die langen Steig- und Fallrohre erfordern eine grosse Menge an Leitungen, Abschirmungen, Verkleidungen, Isolierungen, Abstützungen usw., also einen Aufwand, der in diesem speziellen Fall im Hinblick auf die gegenüber üblichen Siedereaktoren wesentlich erhöhte Ausgangsleistung gerechtfertigt ist.
Anderseits wäre aber bei der Dampferzeugung mit solchen Siedereaktoren eine wesentliche Verringerung des erforderlichen Materialaufwandes möglich, wenn die Dampfseparatoren bei gleicher Leistung nicht hochliegend, sondern innerhalb des Reaktordruckkessels selbst angeordnet werden könnten. Wenn aber ein Siedereaktor in einem Druckkessel mit einem Innendurchmesser von etwa 4 m mit den derzeit bestehenden handelsüblichen Dampfseparatoren ausgestattsiwird, d. h. mit axial durchströmten Zentrifugalseparatoren mit netzartigen Vortrocknern, die je Volumseinheit die stärkste Dampfabtrennung ergeben, so wird die elektrische Ausgangsleistung des Reaktors infolge der beschränkten Leistungsfähigkeit der Separatoren auf etwa 200 Megawatt beschränkt.
Dieser Wert liegt nicht wesentlich höher als die Ausgangsleistung des Reaktors in Dresden-Station der einen nur etwas kleineren Druckkessel hat.
Die Erfindung bezieht sich nun auf einen Dampf-Flüssigkeitsseparator, der bei Einsatz an Stelle der erwähnten üblichen Dampfseparatoren in Siedereaktoren der geschilderten Art eine Steigerung der elektrischen Ausgangsleistung auf wenigstens 300 Megawatt erlaubt.
Die Erfindung zielt also darauf ab, einen verbesserten Hochleistungsseparator für die Dampf-Flüssigkeitstrennung zu schaffen, der sich z. B. für Hochleistungskessel aller Art, einschliesslich HochleistungSiedereaktoren, eignet. Ferner befasst sich die Erfindung mit der Aufgabe, eine verbesserte Kombination
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kann, dass das abgetrennte Wasser nur noch sehr wenig Dampf bzw. der abgetrennte Dampf nur noch sehr wenig Wasser enthält. Ein weiteres Ziel der Erfindung liegt darin, einen Hochleistungs-Dampfseparator zu schaffen, der bei wesentlich erhöhter Kapazität mit wesentlich verminderten Wärmeverlusten arbeitet.
Ein gemäss derErfindung ausgebildeterDampf-Flüssigkeitsseparator hat in bekannterweise eine langgestreckte Wirbelröhre, die an einem Ende eine axiale Einlassöffnung für das Dampf-Flüssigkeits-Gemisch und am andernEnde eine axiale Auslassöffnung aufweist, eine nahe der Einlassöffnung der Wirbelröhre an-
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mit Abstand umgibt und- zusammen mit der Wirbelröhre einen den Wasserwirbel aufnehmenden und um 1800 um das Auslassende der Wirbelröhre umlenkenden ringkanalförmigen Abzugweg bildet, wobei diese ringförmige Flüssigkeitsabzugseinrichtung einen eine kurze Strecke koaxial in das Auslassende der Wirbelröhre hineinragenden Rohrstutzen,
eine mit abstand vom Auslassende der Wirbelröhre quer zu dieser angeordnete und an ihrem Innenrand mit dem Oberrand des Rohrstutzens verbundene Ringplatte sowie eine
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und an ihrem Oberrand mit dem Aussenrand der Ringplatte verbunden ist : das Kennzeichen der Erfindung besteht darin, dass eine zweite ringförmige Flüssigkeitsabzugseinrichtung vorgesehen ist, welche die erste Abzugseinrichtung mit Abstand umgibt und zusammen mit dieser einen zweiten ringkanalförmigen Abzugweg für die Flüssigkeit bildet, der die Grenzschichtströmung der Flüssigkeit am Einlass der ersten Abzugseinrichtung aufnimmt und um 180 um die erste Abzugseinrichtung umlenkt, wobei die zweite Abzugseinrichtung einen zentralen Dampfwirbelauslass bildet.
Wie später noch genauer erläutert wird, ermöglicht die zweite ringkanalförmige Flüssigkeitsabzugseinrichtung ein Auffangen und Entfernen von bei den bekannten Separatoren gleicher Gattung im Bereich
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der ersten Flüssigkeitsabzugseinrichtung. auftretenden Grenzströmungen von Flüssigkeit, die zur Folge hat, dass bei hoher Abzugsgeschwindigkeit des Dampfes von diesem übermässig viel Flüssigkeit mitgerissen wird. Diese Grenzströmungen werden bei erfindungsgemässen Separatoren von der zweiten Flüssigkeitsabzugseinrichtung aufgenommen, so dass sie den abgezogenen Dampf nicht verunreinigen.
Die geschilderte Erfindung und weitere vorteilhafte Massnahmen im Rahmen derselben sollen nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen in der Anwendung auf die Trennung von Dampf und Wasser beschrieben werden. Fig. l ist eine teilweise geschnittene Ansicht eines üblichen axial durchströmten Dampfseparators mit Vortrockner. Fig. 2 ist eine Draufsicht auf den Vortrockner nach Fig. l. Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch den Separator nach Fig. 1. Fig. 4 ist eine teilweise geschnittene Ansicht eines erfindungsgemässen Zentrifugal-Dampfseparators mit Vortrockner.
Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch den Separator nach Fig. 4. Fig. 6 ist eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht, welche geraderichtende Leitflügel im ersten Flüssigkeitsabzug und wirbelbildende Düsen am Einlassende der Wirbelröhre des Separators nach den Fig. 4 und 5 erkennen lässt. Fig. 7 ist ein Diagramm, das die mit dem Dampf-Flüssigkeitsseparator nach der Erfindung erzielte Leistungssteigerung erläutert.
Der in Fig. 1 gezeigte übliche. Separator besteht aus dem eigentlichen Separatorteil 10 und einem Vortrockner 14. DerSeparator 10 istmiteinerEinlassröhre 16 versehen, die den Einlass 12 mit einer Wirbelröhre 18 verbindet. Am Einlassende der Wirbelröhre 18 sind mehrere Leitflügel 20 angeordnet, die dem Dampf-Wasser-Gemisch, das axial durch den Einlass 12 strömt, eine Rotationsoder Wirbelbewegung erteilen.
In dem von den Leitflügeln 20 in der Wirbelröhre 18 erzeugten Wirbel entsteht ein künstliches Gravitationsfeld, durch welchesder spezifisch leichtereDampf alsDampfwir- bel im zentralen Bereich nahe der Längsachse des Separators konzentriert wird, wogegen das spezifisch schwerere Wasser einen äusseren, den Dampfwirbel umgebenden Wasserwirbel bildet, der sich schraubenförmig längs der Innenwand der Wirbelröhre 18 zu deren ringspaltförmigem Wasserwirbelauslass 22 bewegt. Die ungefähre Grenze zwischen diesen beiden Wirbeln ist mit einer strichlierten Linie 24 angedeutet.
Das Auslassende der Wirbelröhre 18 ist mit einem ringkanalartigen Wasserwirbelabzug versehen, der von einer eine kurze Strecke in die Auslassöffnung der Wirbelröhre hineinragenden Auslassröhre 26 für den Dampfwirbel begrenzt wird, welche mit dem Oberrand der Wirbelröhre 18 den schon erwähnten ringspaltförmigen Wasserwirbelauslass 22 bildet. Im Anschluss an diesen Ringspalt wird der Wasserwirbelabzug durch eine Ringplatte 28, deren Innenrand an den Oberrand der Auslassröhre 26 anschliesst und der quer zur Längsachse des Separators verläuft sowie durch eine mit ihrem Oberrand an den Aussenrand der Ringplatte 28 anschliessende Röhre 30 begrenzt, welche die Wirbelröhre 18 um- schliesst und mit dieser einen Ringkanal 32 und einen Ringspalt 34 fürdenWasserabzugbildet.
Derinnere DampfwirbeldurchsetztdieAuslassröhre 26 und gelangt in den Vortrockner 14. Der Wasserwirbel gelangt hingegen von der Wirbelröhre 18 durch den Ringspalt 22 in denRingkanal 32, wobei die axiale Strö- mungsrichtung des Wassers umgekehrt wird : das abgetrennte Wasser fliesst durch den Ringkanal 34 ab.
Fig. 2 zeigt eineDraufsicht zuFig. l. Der Vortrockner 14 besteht aus einer Vielzahl von parallelen Wellblechen 40, die durch Distanzstücke 42 im Abstand voneinander gehalten werden und mittels Schraubbolzen 44 fest miteinander verbunden sind.
Fig. 3 zeigteinen längs der Linie 3-3 in Fig. 1 geführten Querschnitt des Separators nach Fig. 1. der den durch die koaxiale Anordnung der Aussenrähre 30 und der Wirbelröhre 18 gebildeten Ring-
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den. Wasserabzug erkennen lässt. Die Leitflügelund der Nabe 50 begrenzten Durchlässe.Die Wendeslteigung der Leitflügle ist so gewählt, dass die gewünschte Wirbelbildung. und Durchflussmenge gewährleistet werden.
Später werden Betriebsdaten angegeben, die einen Vergleich der Leistungen der bekannten Separatorausführung nach den Fig. 1-3 und der erfindungsgemässen Separatorausführung nach den Fig. 4-6 ermöglichen.
Fig. 4 zeigt eine teilweise geschnittene Ansicht einer erfindungsgemässen Kombination von DampfFlüssigkeitsseparator und Vortrockner. Diese Einheit besteht aus dem Separatorteil 70 und dem Vortrocknerteil 72. Der Separatorteil besteht seinerseits aus einer Wirbelröhre 74 mit einer Einlassröhre 76, welche eine Einlassöffnung 78 bildet. Anschliessend an den Einlass der Wirbelröhre 74 sind mehrere Leitflügel 80 angeordnet, die zwischen einer zentralen Nabe 82 und der Innenwand der Einlassröhre 76 abgestützt sind. Die Düsen oder Durchlässe, die sich zwischen den Leitflügeln er- geben, erteilen demDampf-Wasser-Gemisch eine rotierende Bewegung, so dass sich im Innern der Wirbel-
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röhre 74 ein Dampfwirbel ausbildet, der von einem Wasserwirbel umgeben ist.
Die besondere Ausbildung der Leitflügel wird später noch genauererläutert.Die Gestalten der Nabe 82 und der Leitflügel 80 sind bezüglich des diese Teile umgebenden Bauteiles so gewählt, dass die Gesamtquerschnittsfläche des ringförmigen Durchlasses vom Einlass 78 zur Wirbelröhre 74 mit zunehmendem Abstand vom Ein-
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misches wesentlich erhöht. In der Praxis empfiehlt es sich, hier eine Geschwindigkeitserhöhung von etwa 30 m/sec zu bewirken. Gleichzeitg wird das beschleunigte Dampf- Wasser-Gemisch durch die Leitflügel 80 in eine rotierende Bewegung versetzt. Die ungefähre Grenze zwischen den so entstehenden Dampf-Wasserwirbeln ist durch eine strichlierte Linie 84 angedeutet.
Von einem inneren Rohrstutzen 86, der mit Abstand koaxial zur Wirbelröhre 74 angeordnet ist und eine kurze Strecke in das Auslassende derselben hineinragt, wird im Zusammenwirken mit dem benachbarten Endteil der Wirbelröhre 74 ein Wasserwirbelauslass 88 gebildet. An den Oberrand des inneren Rohrstutzens 86 schliesst eine Ringplatte 90 an, die sich quer zur Längsachse des Separators nach aussen erstreckt und mit deren
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der Oberrand einer Röhredient als Wasserwirbel und fuhrt zu einem ringförmigen Auslassspalt 96. Der Ringspalt 88, der Ringkanal 94 und der Ringspalt 96 bilden den ersten Wasserabzugweg des Separators. Durch Leitflügel 95, die später besprochen werden, wird im Ringkanal 94 die rotierende Bewegung des Wassers gehemmt.
Erfindungsgemäss ist noch ein zweiterGrenzschicht-Wasserabzugweg vorgesehen, der koaxial zum ersten Wasserabzugweg verläuft und diesen teilweise umgibt.Dieser zweite Abzugweg wird von einer Dampfwirbel-Auslassröhre 98, die koaxial in den inneren Rohrstutzen 86 hineinragt und mit diesem den Grenzschicht-Auslass 100 bildet, von einer zweiten Ringplatte 102, die parallel zur ersten Ringplatte 90 angeordnet und an ihrem Innenrand mit dem Oberrand der Dempfwirbel-Auslassröhre 98 verbunden ist und von einer Röhre 104 begrenzt, die an den Aussenrand der Ringplatte 102 anschliesst und koaxial zur Röhre 92 verläuft, so dass sie mit dieser einen Ringkanal 106 bildet, der zu einem Ringspalt 108 führt.
Am Ringspalt 108 ist eine Masse aus wasserdurchlassigem Kontaktmaterial 110 angeordnet, durch welche die Strömung des ausfliessenden Wassers diffundiert, so dass eine Störung des diese Masse umgebenden Flüssigkeitsspiegels vermieden wird.
Im Betrieb gelangt der Dampfwirbel durch die Auslassröhre 98 in den Vortrockner 72, der später noch beschrieben wird. Der Wasserwirbel durchsetzt hingegen den Ringspalt 88, worauf seine Strö- mungsrichtung an der Ringplatte 90 um 180 geändert wird, so dass das Wasser durch den Ringkanal 94 zum Ringspalt 96 fliesst, wie dies in Fig.4 durch Pfeile angedeutet worden ist. Der Ringkanal 94 ist, wie schon erwähnt, mit Leitflügeln 95 versehen, welche die vom Wasserwirbel herrührende schraubenförmige Bewegung des Wassers hemmen.
Bei der praktischen Prüfung von Separatoren der bekannten Ausführung nach den Fig. 1-3 hat sich gezeigt, dass bei sehr hoher Abzugsgeschwindigkeit des Dampfes übermässig viel Wasser im Dampf mitgerissen wird. Es ist anzunehmen, dass dieser Mangel durch die Reibungskräfte verursacht wird, die sich an der Unterseite der Ringplatte 28 ergeben, wenn der rotierende Wasserwirbel über den Oberrand der Wirbelröhre 18 und an der Unterseite der Ringplatte 28 vorbeistreicht. Diese Reibung dürfte im Bereich der Umkehr der Flüssigkeitsströmung lokale Wirbel hervorrufen, durch die ein Teil der Flüssigkeit gezwungen wird, an der Unterseite der Ringplatte 28 in Fig. l nach innen und dann längs der Aussenseite derDampfwirbel-Auslassröhre 26 als eineGrenzschichtenströmung nach unten zu fliessen.
Ein Teil die- der Grenzschichtenströmung dürfte dabei rund um das untere Ende der Auslassröhre 26 fliessen und dadurch in den Dampfauslass gelangen. Die Folge davon ist ein übermässig grosser Feuchtigkeitsgehalt des . abgezogenen Dampfes.
Beim erfinmingsgemässen Separator dient nun der schon beschriebene und in den Fig. 4 und 5 gezeigte zweite ringkanalförmige Flüssigkeitsabzug zum Auffangen und Entfernen der erwähnten Grenzschichtenströmung, wodurch auch bei sehr hoher Abzugsgeschwindigkeit des Dampfes eine Verunreinigung desselben vermieden wird. Die zweite, ringförmige Wasserabzugeinrichtung für die Grenzschichtenströmung setzt sich aus derDampfwirbel-Auslassröhre 98, der zweiten Ringplatte 102 und dem Aussenrohr 104 zusammen. Die Grenzschichtenströmung wird auf diese Weise aufgefangen und um 1800 axial um die erste Abzugeinrichtung umgelenkt, so dass sie nicht in den Dampfabzug gelangen kann.
Das Wasser aus der Grenzschichtenströmung fliesst an der Aussenseite der Röhre 92 abwärts zum Anzugspalt 108 und in das Diffusionsmaterial 110, das die kinetische Energie der Grenzschichtströmung vernichtet und dadurch eine Störung des Spiegels 112 der den Separator umgebenden Flüssigkeit verhindert. Dadurch
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werden eine Befeuchtung des über dem Flüssigkeitsspiegel 112 befindlichen Dampfes und zugleich Dampfeinschlüsse in der Flüssigkeit. 114 weitgehend vermieden.
Infolge der beschriebenen Arbeitsweise des ersten ringkanalförmigenFlüssigkeitsabzuges für den Flüssigkeitswirbel und des zweiten Flüssigkeitsabzuges für die Grenzschichtströmung hat der durch die Auslassröhre 98 in den Vortrockner 74 eintretendeDampfwirbel bei Separatoren nach der Erfindung selbst
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BeschickungderErfindung bei vorgegebenem maximal zulässigem Feuchtigkeitsgehalt im Dampfabzug mit wesentlich höherer einlassseitiger Beschickung gearbeitet werden, was später noch an Beispielen gezeigt wird.
Die im Rahmen der Erfindung verwendeten wirbelbildenden Düsen und Leitflügel werden nach be-
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sind. Bevorzugt werden die Düsen im Rahmen der Erfindung so ausgebildet, dass. sie bei der maximalen volumetrischen Nennbeschickung des Separators eine freie Wirbelströmung in der Wirbelröhre erzeugen, Separatoren, die mit solchen Düsen ausgestattet sind, arbeiten auch bei jeder unter diesem Maximum liegenden Beschickung ausserordentlich gut.
DerZentrifugal-Vortrockner 72 nach derErfindung besteht aus einemTrocknergehäuse 120, das gegebenenfalls durch eine Verlängerung der Aussenröhre 104 gebildet werden kann, aus einer Ringplatte 122 an der Oberseite und aus einem kegelstumpfförmigen, nach unten ragenden Innenteil 124, dessen Mantelfläche Öffnungen 126 aufweist, während sein ebenfalls kegelstumpfförmiger Boden un- perforiert ist und nur eine zentrale Auslassöffnung 130 aufweist. Die untere Randzone des Trocknergehäuses 120 ist mit mehreren Öffnungen 132 versehen, die knapp über der zweiten Ringplatte 102 liegen. Rings um dasAuslassende derDampfwirbel-Auslassröhre 98 ist im Vortrockner 72 ein Ring 136 mit dreieckigem Querschnitt angeordnet.
Dieser Ring bildet mit seiner Innenfläche 138 eine Seite des ringförmigen Einlasses für den Dampfwirbel in den Vortrockner 72, während die andere Seite dieses
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durch die Unterseite des konischen Bodenteilesschnittsfläche im übrigen mit zunehmendem Abstand von dieser Röhre zunimmt. Die äussere Mantelfläche 140 des Ringes 136 wirkt als ein Damm, der verhindert, dass die vom äusseren oder ersten-Trock- nereinsatz 144 gesammelte Flüssigkeit 142 durch den Dampfeinlass des Vortrockners wieder in den Separator zurückfliesst. Der netzförmige Trocknereinsatz 144 ist zylindrisch und an der Innenfläche des Trocknergehäuses 120 angeordnet.
Ein zweiter Trocknereinsatz 146 mit nach unten verjüngter Kegelstumpfform ist an der Oberseite des perforierten kegelstumpfförmigen Innenteiles 124 angeordnet.
Der Dampfwirbel tritt in den Vortrockner 72 vom Separator 70 durch. die Dampfwirbel-Aus- lassröhre 98 ein und strömt dann zwischen dem konischen Bodenteil 128 und dem Ring 136 in den Bereich zwischen dem perforiertenkegelstumpfteil 124 und demTrocknereinsatz 144. Die im Wirbel auftretenden Zentrifugalkräfte bewirken, dass vom Dampf mitgerissene Flüssigkeitströpfchen in den Trocknereinsatz hineingetrieben werden. Die grosse Oberflächenausdehnung des Trocknereinsatzes hat dabei eine starke Reibung an der Aussenzone des Dampfwirbels zur Folge. Der Trocknereinsatz vernichtet somit einen Teil der kinetischen Energie des Dampfwirbels und vermindert dadurch seine Rotationsgeschwindigkeit, wobei ein wesentlicher Teil der mitgerissenen Flüssigkeitströpfchen abgeschieden wird.
Die abgeschiedenen Flüssigkeitstropfen sammeln sich an der Oberfläche des Trocknereinsatzes, wo die Rotationsgeschwindigkeit des Dampfes vermindert ist, so dass die angesammelte Flüssigkeit auf Grund der Schwerkraft nach unten in die Flüssigkeitsmasse 142 abfliessen kann. Diese Flüssigkeit gelangt sodann durch die Öffnungen 132 am unteren Ende des Trocknergehäuses 120 in die Flüssigkeitsmasse 114.
Der Dampfwirbel, der nun eine verminderte Rotationsgeschwindigkeit und einen wesentlich verminderten Feuchtigkeitsgehalt hat, strömt nun nach oben durch die Öffnungen 126 imKegelstumpfteil 124 und durch den inneren Trocknereinsatz 146. Da der Dampfwirbel gezwungen ist, den Einsatz 146 zur Gänze zu durchströmen, wird seine Rotationsgeschwindigkeit wirksam vernichtet und ferner wird die noch im Dampf vorhandene Feuchtigkeit in analoger Weise im äusseren Einsatz 144 vermindert.
Die Gesamtfläche As der Öffnungen 126 im inneren Kegelstumpfteil 124 ist zumindest gleich dem
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des Durchtrittsquerschnittes Ai im divergierenden Ringkanal zwischen dem RingTabelle 1 üblicher Separator
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<tb>
<tb> Stückliste <SEP> Abmessung
<tb> Wirbelröhre <SEP> 18
<tb> Durchmesser <SEP> 21, <SEP> 5 <SEP> cm <SEP>
<tb> Länge <SEP> 35, <SEP> 6 <SEP> cm <SEP>
<tb> Dampfwirbel-Auslassröhre <SEP> 26
<tb> Durchmesser <SEP> 13, <SEP> 6 <SEP> cm
<tb> Länge <SEP> 7 <SEP> cm
<tb> Ringplatte <SEP> 28
<tb> Aussendurchmesser <SEP> 30, <SEP> 5 <SEP> cm
<tb> Aussenröhre <SEP> 30
<tb> Länge <SEP> 38,
<SEP> 1 <SEP> cm
<tb> Einlassseitige <SEP> Leitflügel <SEP> 20
<tb> Anzahl <SEP> 4 <SEP>
<tb> Art <SEP> wendelförmig
<tb> Steigungswinkel <SEP> gegen <SEP> Horizontale <SEP> 400
<tb> Einlassröhre <SEP> 16
<tb> Einlassdurchmesser <SEP> 15, <SEP> 2 <SEP> cm
<tb> Vortrockner <SEP> 14
<tb> Art <SEP> Wellplattentrockner
<tb> Breite <SEP> 43, <SEP> 2 <SEP> cm
<tb> Länge <SEP> 43, <SEP> 2 <SEP> cm
<tb> Höhe <SEP> 10, <SEP> 2 <SEP> cm <SEP>
<tb>
Dieser den Fig. 1-3 entsprechende Separator mit Vortrockner wurde mit einem Dampf-Wasser-Gemisch mit 9, 66 Gew.-% Dampfgehalt bei einem Überdruck von 70 at und einer Temperatur von 267 C getestet, um seine Arbeitsweise bei verschiedenen Dampf-Wasser-Beschickungsmengen zu ermitteln.
Die maximale Dampf-Wasser-Trennleistung dieses Separators ergab sich mit etwa 550 m3 Dampf-WasserGemisch je Stunde, was bei dem angegebenen anfänglichen Dampfgehalt einem Dampfdurchsatz von etwa 13. 500 kg je Stunde entspricht. Bei diesem Maximum enthielt der abgetrennte Dampf noch 6% mitgerissene Feuchtigkeit.
Beispiel 2 :
Der hiemit verglicheneDampfseparator. nach derErfindung hatte annähernd die gleiche Grösse wie der Separator nach Beispiel 1 ; seine Abmessungen sind in der folgenden Tabelle 2 angegeben.
Tabelle 2
Separator nach der Erfindung
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<tb>
<tb> Stückliste <SEP> Abmessung
<tb> Wirbelröhre <SEP> 74
<tb> Durchmesser <SEP> 21, <SEP> 6 <SEP> cm <SEP>
<tb> Länge <SEP> 67, <SEP> 0 <SEP> cm <SEP>
<tb> Dampfwirbel-Auslassröhre <SEP> 98
<tb> Durchmesser <SEP> 13, <SEP> 7 <SEP> cm <SEP>
<tb> Länge <SEP> 7, <SEP> 6 <SEP> cm <SEP>
<tb> Zweite <SEP> Ringplatte <SEP> 102
<tb> Aussendurchmesser <SEP> 34, <SEP> 3 <SEP> cm <SEP>
<tb> Aussenröhre <SEP> 104
<tb> Länge <SEP> 64, <SEP> 8 <SEP> cm
<tb>
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Tabelle 2 (Fortsetzung) Separator nach der Erfindung-
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<tb>
<tb> Stückliste <SEP> Abmessung
<tb> Rohrstutzen <SEP> 86
<tb> Durchmesser <SEP> 16, <SEP> 9 <SEP> cm <SEP>
<tb> Länge <SEP> 3, <SEP> 8 <SEP> cm <SEP>
<tb> Erste <SEP> Ringplatte <SEP> 90
<tb> Aussendurchmesser <SEP> 30,
<SEP> 5 <SEP> cm <SEP>
<tb> Aussenrohr <SEP> 92
<tb> Länge <SEP> 63, <SEP> 5 <SEP> cm <SEP>
<tb> Einlassseitige <SEP> Leitflügel <SEP> 80
<tb> Art <SEP> freie <SEP> Wirbel <SEP> bildend
<tb> Anzahl <SEP> 8
<tb> Steigungswinkel <SEP> gegen <SEP> Horizontale
<tb> Einlassende <SEP> 900
<tb> Auslassende <SEP> 270
<tb> Leitflügel <SEP> 95
<tb> Art <SEP> freie <SEP> Wirbel <SEP> aufnehmend
<tb> Anzahl <SEP> 12
<tb> Winkelabstand <SEP> 300
<tb> Steigungswinkel <SEP> gegen <SEP> Horizontale
<tb> Einlassende <SEP> 150
<tb> Auslassende <SEP> 900
<tb> Vortrockner <SEP> 72
<tb> Art <SEP> Zentrifugaltrockner
<tb> Äusserer <SEP> Einsatz <SEP> 144
<tb> Innendurchmesser <SEP> 28.
<SEP> 6 <SEP> cm <SEP>
<tb> Höhe <SEP> 17, <SEP> 8 <SEP> cm <SEP>
<tb> Dicke <SEP> 2, <SEP> 5 <SEP> cm <SEP>
<tb> Innerer <SEP> Einsatz <SEP> 146
<tb> Durchmesser <SEP> oben <SEP> 29, <SEP> 2 <SEP> cm
<tb> Durchmesser <SEP> unten <SEP> 14, <SEP> 2 <SEP> cm
<tb> Dicke <SEP> 2, <SEP> 5 <SEP> cm
<tb>
Dieser Dampfseparator mit Vortrockner wurde wie beim Beispiel 1 mit einem 9, 66 Gew.-% Dampf enthaltenden Dampf-Wasser-Gemisch von 70 at Überdruck und einer Temperatur von 2760C beschickt.
Der maximale Durchsatz betrug bei 6% Restfeuchtigkeit des anfallenden Dampfes etwa 1000 m3 DampfWasser-Gemisch je Stunde. Dies entspricht bei den angegebenen l3eschickungsverhältnissen einer Dampfmenge von etwa 24. 200 kg je Stunde, was eine Verbesserung von 80% gegenüber der bekannten Separatorausführung nach Beispiel 1 bedeutet. Es wurde ferner festgestellt, dass der axiale Abstand oder Spalt zwischen dem Auslassende der Wirbelröhre 74 und der Unterseite der ersten Ringplatte 90 einen kri- tischen Einfluss auf die Arbeitsweise des erfindungsgemässen Separators mit Vortrockner hat. Bei der un- tersuchtenAusführung war dieser axiale Spalt veränderbar, so dass seinEinfluss auf die Arbeitsweise studiert werden konnte.
Das Ergebnis dieser Untersuchung ist in Fig. 7 graphisch dargestellt.
InFig. 7istinGewichtsprozentenderFeuchtigkeitsgehalt F des bei der erfindungsgemässenDampf- separator-Vortrockner-Kombination nach Beispiel 2 austretenden Dampfes in Abhängigkeit vom axialen Spalt S am Ende der Wirbelröhre und von der Überlappungsstrecke Ü des Rohrstutzens 86 und der Wirbelröhre 74, ausgedrückt in Prozent des axialen Ringspaltes, dargestellt. Die verschiedenen, angewendeten einlassseitigen Beschickungswerte sind in Kilogramm je Stunde als Parameter A-E gemässTa- belle 3 angegeben. Für axiale Spaltwerte, die von etwa 1, 65 cm bis etwa 3, 17 cm ansteigen und für Überlappungswerte, die von 150% auf 25% des axialen Spaltes absinken, ist ein kritischer Einfluss dieser
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Grösse auf den Feuchtigkeitsgehalt F des anfallenden Dampfes erkennbar.
Unabhängig von der einlassseitigen Beschickung verringert sich der Feuchtigkeitsgehalt F zunächst auf einen Minimalwert, um sodann wieder anzusteigen, wenn die axiale Spaltweite oder die Überlappung in den angegebenen Bereichen variiert wird. Bei einer axialen Spaltweite von 2, 5 cm und einer Überlappung von etwa 50% ergibt sich ein Feuchtigkeitsgehalt gemäss der folgenden Tabelle :
Tabelle 3
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<tb>
<tb> - <SEP> ---- <SEP> ---Durchsatz <SEP> in <SEP> Feuchtigkeitsgehalt <SEP> Head <SEP> Loss
<tb> i <SEP> :
<SEP> n <SEP> 3/h <SEP> in <SEP> Gew.-% <SEP> Feet <SEP> of <SEP> Mixture
<tb> 990 <SEP> (Kurve <SEP> <SEP> in <SEP> Fig. <SEP> 7) <SEP> 6. <SEP> 0 <SEP> 130
<tb> 900 <SEP> (Kurve <SEP> B <SEP> in <SEP> Fig. <SEP> 7) <SEP> 3, <SEP> 5 <SEP> 110
<tb> 790 <SEP> (Kurve <SEP> C <SEP> in <SEP> Fig. <SEP> 7) <SEP> 2, <SEP> 2 <SEP> 87
<tb> 780 <SEP> (Kurve <SEP> D <SEP> in <SEP> Fig. <SEP> 7) <SEP> 1, <SEP> 3 <SEP> 65
<tb> 570 <SEP> (Kurve <SEP> E <SEP> in <SEP> Fig. <SEP> 7) <SEP> 1, <SEP> 0 <SEP> 45
<tb>
Wenn man 6% Feuchtigkeitsgehalt im abgezogenen Dampf als obere Grenze annimmt, so ermöglicht die erfindungsgemässe Separator-Vortrockner-Kombination nach Beispiel 2 einen maximalen Durchsatz von 990 m3 bei einer axialen Spaltweite von etwa 2, 5 cm. Das abgetrennte Wasser enthält unter diesen Bedingungen 0, 2 Gew. -0/0 Dampf.
Der angegebene maximale Durchsatz beträgt 180tub des mit dem Separator nach Beispiel 1 bzw. nach den Fig. l-3 erzielten Wertes.
Die folgenden Beispiele illustrieren die Variationsmöglichkeiten der maximal zulässigen AusgangsNennleistung (begrenzt durch denDurchsatz imDampfseparator) bei Siedereaktoren, die mit einem Druck von 70 at und einer Temperatur von 2670C arbeiten und mit dem grösstmöglichen Kern ausgestattet sind, der in einem Druckkessel von 4, 06 m Innendurchmesser untergebracht werden kann.
Beispiel 3 :.
Der Kern eines Siedewasserreaktors mit einer maximalen Nennleistung von 1100 thermischen Megawatt setzt sich aus 276 Brennstoffeinheiten zusammen. die etwa 3, 05 m lang sind, einen Querschnitt von 17, 78cm ? haben und aus mit Zirkonlegierung verkleideten UÛ2 -Brennstoffelementen mit etwa 21% Gehalt an U2 bestehen ; diese Elemente sind in quadratischen Bereichen mit einem Mittenabstand von etwa 1, 63 cm-. zu einer Gruppe von 10 X 10 zusammengefasst. Der Umrissdurchmesser des Kernes beträgt etwa 3, 43 m.
Die mittlere Wärmeübertragung von den Brennerstäben in das kochende Kühlmittel beträgt etwa 347. 000 Kcal/ (m2. h), wobei die Spitzenwerte bei der maximalen'Nennleistung bei etwa 1, 286. 000 Kca1/ (rrt-. h) liegen. Wenn der Reaktor ohne irgendwelche Dampfseparatoren im Innern des Reaktorkessels arbeitet und nur die freie Dampfabscheidung an der Oberfläche der kochenden Flüssigkeit im Kessel zur Gewinnung von Dampf mit nicht mehr als 61o Feuchtigkeitsinhalt ausgenutzt wird, so begrenzt die Leistungsfähigkeit dieser Dampftrennung die maximale thermische Nennleistung, mit welcher der Kern betrieben werden kann, auf 270 thermische Megawatt. Dies reicht zum Betrieb eines TurbinenGenerator-Aggregats aus, das eine elektrische Leistung von ungefähr 87 elektrischen Megawatt liefert.
Beispiel 4 :
Wenn die Siedereaktoranlage nach Beispiel 3 mit 85 Dampfseparatoren üblicher Ausführung (vgl. die Fig. 1-3 und Beispiel 1) ausgestattet wird, was die maximale Anzahl dieser Separatoren darstellt, die in einem Kessel von 4, 06 mDurchmesser untergebracht werden kann, so begrenzt die Leistungsfähigkeit dieserDampfseparatoren die maximale thermische Nennleistung auf 610 Megawatt. Die entsprechende elektrische Ausgangsleistung beträgt 197 Megawatt, was einer Erhöhung von etwa 126% gegenüber dem Beispiel 3 entspricht.
Wenn die Siedereaktoranlage nach Beispiel 3 mit 85 verbesserten Dampfseparator-Vortrockner-Ein- heiten in erfindungsgemässer Ausführung (vgl. die Fig. 4-6 und Beispiel 2) ausgestattet wird, so kann infolge der Leistungsfähigkeit der Dampftrennung die maximale thermische Nennleistung auf 1100 Megawatt erhöht werden. Die erzielbare elektrische Ausgangsleistung beträgt dann 356 Megawatt. Dies bedeutet eine Zunahme um 2100/0 gegenüber dem Beispiel 3 und eine Zunahme um 80% gegenüber dem Beispiel 4, bei dem übliche Separatoren verwendet werden.
Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, dass der erfindungsgemässe Dampfseparator mit Vortrockner gegenüber der bekannten Ausführung wesentlich verbessert ist und eine starke Erhöhung der maximalen Ausgangsleistung von Dampfgeneratoren, wie Siedereaktoren, gestattet.
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die Verwendung des Zentrifugal-Vortrockners, die beiden ringförmigen Flüssigkeitsabzüge, die Einhaltung des kritischen axialen Abstandes zwischen der Ringplatte 90 im ersten ringförmigen Flüssigkeitsabzug und dem Auslassende der Wirbelröhre 74 sowie der kritischen Überlappung des Rohrstutzens 86 und der Wirbelröhre zu der gesteigerten Leistung bei.
Die Länge des Rohrstutzens 86 des ersten ringförmigen Flüssigkeitsabzuges soll zwischen etwa 21o und etwa 20% der Länge der Wirbelröhre, vorzugsweise zwischen etwa 5% und etwa 10% dieser Länge liegen. Sie soll auch zwischen etwa 20% und etwa
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mend für den Wirkungsgrad des Separators, besonders bei maximaler Strömungsgeschwindigkeit. Die Abmessungen lassen aber unterhalb des maximalen Durchsatzes einen erheblichen Spielraum zu. So kann z.
B. bei etwa 80% des maximalen Durchsatzes der Feuchtigkeitsgehalt im abgezogenen Dampf bei Anlagen mit einem Druck von 70 at noch bei axialen Spalten unter etwa 6% gehalten werden, die um etwa 20% kleiner oder um 35% grösser sind. als die Spaltweite, bei der am wenigsten Wasser mitgerissen wird. Bei noch niedrigerenDurchsätzen ist derSpielraum für dieSpaltweite noch grösser. Bei maximalemDurch- satz bzw. maximaler Leistung soll aber die Abweichung von der optimalen Spaltweite nur : 10% betragen. Auch die innere Rohrüberlappung, die in Prozenten der axialen Spaltweite ausgedrückt wird, ist bei geringem Durchsatz weniger kritisch als bei maximalem Durchsatz.
Sie kann bei 80% des maximalen Durchsatzes etwa 15 bis etwa 90% betragen, jedoch bei maximalem Durchsatz zwischen etwa 35 und 65. liegen.
Vorstehend ist ein spezielles Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Einzelheiten desselben beschrieben worden, doch versteht sich, dass dieses Beispiel im Rahmen der Erfindung verschiedene Abwandlungen zulässt.
- PATENTANSPRÜCHE :
1. Dampf-Flüssigkeitsseparatormit einer langgestreckten Wirbelröhre, die an einem Ende eine axiale Einlassöffnung für das Dampf-Flüssigkeits-G'emisch und am andern Ende eine axiale Auslassöffnung aufweist, einer nahe der Einlassöffnung der Wirbelröhre angeordneten Einrichtung, die dem Dampf-Flüssig- keits-Gemisch eine rotierende Bewegung erteilt, welche ausreicht, um in der Wirbelröhre einen Dampfwirbel zu erzeugen, der von einem Flüssigkeitswirbel umgeben ist.
und einer ringförmigen Flüssigkeitsabzugseinrichtung, welche das Auslassende der Wirbelröhre mit Abstand umgibt und zusammen mit der Wirbelröhre einen den Wasserwirbel aufnehmenden und um 1800 um das Auslassende der Wirbelröhre umlenkenden ringkanalförmigen Abzugweg bildet, wobei diese ringförmige Flüssigkeitsabzugseinrichtung einen eine kurze Strecke koaxial in dasAuslassende der Wirbelröhre hineinragendenRohrstUtzen, einemit Abstand vomAuslassende der Wirbelröhre quer zu dieser angeordnete und an ihrem Innenrand mit dem Oberrand des Rohrstutzens verbundene Ringplatte sowie eine zylindrische Aussenröhre umfasst, die koaxial mit Abstand von der aussenfläche der Wirbelröhre angeordnet und an ihrem Oberrand mit dem Aussenrand der Ringplatte verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,
dass eine zweiteringförmigeFlüssigkeitsab- zugseinrichtung (98, 102, 104). vorgesehen ist, welche die erste Abzugseinrichtung (86, 90, 92) mit Abstand umgibt und zusammen mit dieser einen zweiten ringkanalförmigen Abzugweg für die Flüssigkeit bildet, der die Grenzschichtströmung der Flüssigkeit am Einlass der ersten Abzugseinrichtung aufnimmt und um 1800 um die erste Abzugseinrichtung umlenkt, wobei die zweite Abzugseinrichtung einen zentralen Dampfwirbel-Auslass (98) bildet.