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Druckminder-Regelventil für Dampf
Die Erfindung betrifft ein Druckminder-Regelventil für Dampf, das abflussseitig eine Einrichtung zum Einspritzen von Kühlwasser in den Dampfstrom besitzt. Druckminder-Regelventile mit Kühlwassereinspritzung sind bereits als Dampfumformventile bekannt.
Bei einem bekannten Ventil wird das Kühlwasser in Nähe des Ventilsitzes am Ort der stärksten Einschnürung des Dampfstromes zugeführt, damit es durch die dort herrschende hohe Dampfgeschwindigkeit mitgerissen und fein verteilt sowie durch das Temperaturgefälle zwischen Dampf und Wasser verdampft werde. Sofern ein bestimmter prozentualer Wasserzusatz nicht überschritten wird, kann das Wasser vom Dampf innerhalb des Ventils aufgenommen werden. Durch die Ausführung der Spritzöffnung als Ringschlitz erreicht der prozentuale Wasserzusatz höhere Werte. Nachteilig ist der bei der Reduzierung von Hochdruck-Heissdampf auf Niederdruckdampf erforderliche hohe Kühlwasserdruck.
Das Kühlwasser muss entweder der Kesselspeisepumpe entnommen werden, so dass diese entsprechend grösser auszulegen ist, was eine Verteuerung der Anlage ergibt, oder es ist eine besondere Hochdruck-Einspritzpumpe aufzustellen, die bei den erforderlichen hohen Drücken und den kleinen Einspritzmengen schlecht und unwirtschaftlich arbeitet. Bei bestehenden Dampfkesselanlagen, deren Heissdampfkühler durch ein Dampfumformventil ersetzt werden soll, haben die Kesselspeisepumpen nicht die notwendige Reserve zur Mitförderung des Einspritzwassers. Der Förderdruck der vorhandenen Kühlwasserpumpen des zu ersetzenden Heissdampfkühlers reicht jedoch nicht für die Wasserzufuhr des bekannten Dampfumformventils aus, weshalb die Anschaffung besonderer Hochdruck-Einspritzpumpen notwendig wird.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass eine Dampfkühlung bis nahe an den Sattdampfzustand nicht möglich ist, weil die Temperaturdifferenz zwischen Dampf und Wasser und damit der Wärmeaustausch verschwinden, bevor die Verdampfung abgeschlossen ist.
Es ist bekannt, durch Kupplung des Kühlwasserventils mit dem Dampfventil oder dadurch, dass man eine druckabhängige Regeleinrichtung gleichzeitig auf Dampf- und Wasserventil, einen Temperaturregler jedoch nur auf das Wasserventil wirken lässt, das Regelverhalten des bekannten Dampfumformventils zu verbessern. Weiters ist es bekannt, hinter der Mischzone von Dampf und Wasser zur Verstärkung der Verwirbelungs- und Ausdampfwirkung eine sprunghafte Erweiterung des Strömungskanals vorzusehen.
Durch die ungeordnete Strömung können jedoch unerträgliche Geräusche und gefährliche Vibrationen auftreten.
Bei der Einspritzung des Kühlwassers in Nähe des Ventilsitzes sind als Folge der thermischen Bean- spruchung Beschädigungen und Funktionsstörungen des Ventils möglich. Deshalb ist bei einem bekannten Dampfumformventil die Kühlwassereinspritzung in den abflussseitigen Ventilteil, der vorzugsweise als Venturi-Rohr zur Erzielung eines Druckrückgewinns ausgebildet ist, vorgesehen. Dieses Ventil ist aber nur für den Einsatz bei unterkritischen Druckgefällen bestimmt. Bei einem andern Dampfumformventil ist abflussseitig eine zweite Einschnürung vorgesehen, bei der die Wassereinspritzung erfolgt. Dadurch ist die Gefahr für den Ventilsitz beseitigt, die Dampfgeschwindigkeit, welche für die Tropfengrösse mass- gebend ist, wird jedoch stark verringert.
Bei einem bekannten Dampfumformventil mit abflussseitiger Wassereinspritzung wird das Wasser auch bei Teillast durch einen selbstregelnden Ringspalt mit geeigneter Geschwindigkeit in den Dampfstrom gespritzt. Wegen der mit der ungeordneten Strömung verbundenen starken Geräusche ist diesem Ventil eine stark wirkende Labyrinth-Drosselstrecke nachgeschaltet, die das Druckniveau so hoch hält, dass das konische Rohr zwischen dem Dampfventil und der Drosselstrecke als Venturi-Rohr wirkt.
Bei einem weiteren bekannten Dampfumformventil mit hinter dem Ventilsitz angeordneter Kühlwassereinspritzung wird ungewollt zwischen dem Ventilsitz und dem zum Einspritzen dienenden Ringspalt die Schallgeschwindigkeit überschritten, soweit das gegen die Dampfströmungsrichtung eingespritzte Wasser den Strömungsraum nicht erreicht. Das ist aber bei dem bekannten Ventil nur in einer ganz geringfügigen Ausdehnung der Fall. Im eigentlichen Strömungsraum zwischen dem Einspritzringspalt und den
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austrittseitigen Lochblenden herrscht schon wegen der Anwesenheit von Wassertröpfchen Unterschallgeschwindigkeit. Deshalb muss der Strömungsraum zur Vermeidung von Schallschwingungen möglichst klein gehalten werden.
Die den Strömungsraum abschliessenden Lochblenden bauen einen wesentlichen
Teil des Gesamtdruckes ab, wodurch das Entspannungsgefälle am Ventilsitz vermindert wird. Der Druck bleibt also im gesamten Strömungsraum höher als hinter den Lochblenden.
Diesen bekannten Dampfumformventilen ist gemeinsam, dass die Zerstäubung des zugeführten Wassers durch die Relativgeschwindigkeit und die Verdampfung durch das Temperaturgefälle zwischen Wasser und Dampf erfolgt. Die mit diesem Drosse1- und Mischvorgang verbundene ungeordnete Strömung ist mit unerträglich starken Geräuschen und nicht selten auch mit gefährlichen Vibrationen verbunden. Des- halb ist es notwendig, diesen Ventilen Drossellabyrinthe nachzuschalten, die bei vollem Durchsatz den überwiegenden Anteil des Druckgefälles vernichten und darüber hinaus wie Füllkörper wirken, die die restlichen Tropfen zur Nachverdampfung bringen.
Wegen der quadratischen Abhängigkeit des Drossel- verlustes der Labyrinthe von Dampfdurchsatz ergeben sich bei kleinem Dampfdurchsatz Regelschwierig- keiten und starke Expansionsgeräusche.
Ein anderes bekanntes Druckminderungsventil für Hochdruckdampf und überkritische Druckverhält- nisse ist so ausgebildet, dass das Kühlmittel an der dem noch vollen Strahl zunächst liegenden Stelle der Mündung eingeführt wird, an der der bekannte Drucksprung auftritt. Bei diesem Drucksprung handelt es sich um den Druckabfall vom Vordruck auf den kritischen Druck, der bei schräg abgeschnittenen
Düsen an der kurzen Wand unmittelbar am Austritt stattfindet. Weil dabei die Schallgeschwindigkeit nicht überschritten wird, treten Geräusche auf, die durch Raumunterteilung und Einbauten vermindert werden müssen. Ausserdem sind die Einbauten zum Verzehr des beigemischten Kühlwassers durch den
Dampf erforderlich.
Es ist ferner ein Drosselventil mit einem sich an die Durchgangsstelle des Dampfes anschliessenden Ausflussrohr und einem in dieses hineinragenden Drosselkörper bekannt, der mittels der Ventilspindel verstellt werden kann und so geformt ist, dass in jeder Lage des Drosselkörpers die Führung des Dampfes wie bei einer Laval-Düse erfolgt. Dieses Ventil hat die Aufgabe, den Dampfdurchfluss bei fester Ventileinstellung und schwankendem Gegendruck konstant zu halten ; es ist aber nicht geeignet, den Gegendruck zu regeln und gleichzeitig den Dampf mittels Einspritzwasser zu kühlen.
Die Erfindung vermeidet die Nachteile der bekannten Bauarten dadurch, dass die Erweiterung des Strömungsraumes so stark ist, dass durch die Expansion des Dampfes der Druck auf einen Wert abfällt, der erheblich unter dem liegt, der zum Ausstossen der Dampfmenge mit Unterschallgeschwindigkeit notwendig ist, dass am Ende dieses Strömungsraumes ein Hindernis und/oder eine konkave Kante zur Erzeugung des fehlenden Druckes durch Verdichtungsstoss vorhanden ist und dass eine Einrichtung zum Einspritzen des Kühlwassers unmittelbar vor die Verdichtungsfront vorgesehen ist.
Durch die starke Expansion werden Temperatur und Druck des ins Ventil einströmenden Heissdampfes beträchtlich gesenkt. Der Dampf kann dabei sogar nass werden. Bei diesem Zustand verursacht die Zufuhr von heissem Kühlwasser keine nennenswerte Strömungsstörung, denn sie vergrössert lediglich die Dampfnässe. Sofern die Kühlwassertemperatur oberhalb der dem gesenkten Dampfdruck entsprechenden Verdampfungstemperatur liegt, zerteilt sich das eingespritzte Wasser durch innere Verdampfung momentan in feine Tröpfchen. Der Nassdampf dringt in die Verdichtungsfront ein, die eine Dicke von weit weniger als 0, 001 mm hat. Die feinen Tröpfchen sind innerhalb der Verdichtungsfront von der Vorderseite hohem Druck und von der Rückseite niedrigem Druck ausgesetzt, so dass sie zurückgehalten und zerschmettert werden.
Beim Verdichtungsstoss erfährt der Strom des nassen Dampfes eine beträchtliche Entropie- Vermehrung. Die dadurch auf kleinstem Raum stattfindende Umwandlung der Strömungsenergie in
Wärme trocknet den Dampf augenblicklich. Da alle Tröpfchen in die Verdichtungsfront eindringen, ist gewährleistet, dass der Dampf vollkommen trocken wird.
Die Verdampfung innerhalb der Verdichtungsfront ermöglicht sogar die Kühlung bis hinunter zum
Sattdampfzustand, weil jegliche Feuchte von der Verdichtungsfront zurückgehalten wird, denn die Wassertröpfchen werden durch den Druckanstieg am Eindringen in den Bereich höheren Druckes gehindert.
Wegen der starken Entspannung des Dampfes und der damit verbundenen Temperatursenkung ist es möglich, unmittelbar an das niederdruckseitige Ventilgehäuse einen mit Heisswasser aus dem Speisewasserbehälter beaufschlagten Servomotor anzubringen, der das Ventil betätigt. Der ventilseitige Zylinderraum des Servomotors kann dabei Verbindung mit der Kühlwasserzufuhr des Dampfumformventils haben, so dass sich dampfseitig eine Stopfbuchse erübrigt, insbesondere wenn das als Kühlwasser dienende Speisewasser längs des Ventilschaftes eingespritzt wird. Das erfindungsgemässe Dampfumformventil arbeitet nur mit dem Kühlwasser und seinem relativ niedrigen Druck und benötigt keine weiteren Hilfsmittel, so dass es besonders betriebssicher ist.
Die Erfindung ist an Hand der Zeichnung näher erläutert. Der zu entspannende und zu kühlende Heissdampf tritt durch einen Stutzen 1 in das Ventilgehäuse 2 ein. Der Strömungsraum 3 um den Ventilschaft 4 ist so ausgebildet, dass er wie eine Laval-Düse die Dampfströmung durch Expansion auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt. Die obere Fläche 5 einer Führungsnabe 6 verengt den Strömungsraum 3 plötzlich, so dass sich eine Verdichtungsfront 7 ausbildet, in der die Überschallströmung unstetig in eine Unterschallströmung höheren Druckes übergeht. Der Ventilschaft 4 besitzt vorzugsweise schraubenförmig
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