Flüssigkeitsabscheider für die Trennung eines Dampf-Flüssigkeit-Gemisches
Die Erfindung bezieht sich auf einen Flüssigkeits- abscheider für die Trennung eines Dampf-Flüssig- keit-Gemisches, mit einer länglichen, vom Gemisch in Axialrichtung durchflossenen Wirbelkammer, Mit- teln in der Nähe der Einlassöffnung der Wirbelkammer, um dem Gemisch einen Drall zu geben, so dass sich im Innern der Wirbelkammer eine zentrale, schraubenlinienförmige Dampfströmung bildet, die von einer gleichgeformten Flüssigkeits-und Nebelströmung umgeben ist, und ferner mit einem die Wirbelkammer umgebenden, von dieser distanzierten Mantel, wobei beim oberen Ende der Wirbelkammer ein Überlauf vorhanden ist,
so dass die Flüssigkeit bw. der Nebel um 180 umgelenkt und zwischen der Wirbelkammer und dem Mantel nach abwärts abgeführt wird, und für die Dampfabfuhr ein oben in die Wirbelkammer hineinragendes Dampfabfuhrrohr vorhanden ist.
Solche Abscheider dienen dazu, Dampf von kochendem Wasser zu trennen. Dampf wird in weitem Umfang für industrielle Zwecke, für Heizung und für Antriebsaggregate, beispielsweise in Dampfturbinen und dergleichen, verwendet. In den meisten Fällen wird ein trockener Dampf benötigt, welcher möglichst frei von mitgerissener Flüssigkeit ist. Dies ist namentlich dann von Bedeutung, wenn mit dem Dampf eine Antriebsmaschine betrieben wird, da Wasser, wenn es sich in genügenden Mengen ansammelt, die Zylinder von Dampfmaschinen zerstören kann oder bei Dampfturbinen eine Erosion der Turbinenteile bewirkt und diese Maschinen vorzeitig unbrauchbar macht.
Bei konventionellen Dampferzeugern, welche durch Brennstoffe, wie beispielsweise Kohle, öl oder Gas beheizt werden, besteht üblicherweise kein nennenswerter Bedarf für Abscheider von geringen Abmessungen, welche grosse Dampfmengen von Wasser trennen. Derartige Abscheider haben gewöhnlich die Form eines Zylinders, welcher die Wasser-und Dampf-Mischung aufnimmt. Die Leistung solcher Zylinder zur Trennung von Flüssigkeit und Dampf kann wesentlich erhöht werden durch Einfügung eines Zentrifugalkraft-Abscheiders. Diesen Abscheidern wird das Dampf-Flüssigkeit-Gemisch durch eine Trommel zugeführt, wobei im oberen Bereich dieser Trommel der Dampf abgeführt und das abgeschiedene Wasser wieder in den unteren Bereich der Trommel gelenkt wird, zwecks Verdampfung.
Selbst bei Hochleistungs-Dampferzeugern bestand bisher kein grosser Anreiz, einen Abscheider zu entwickeln, welcher eine hohe Abscheidleistung aufweist, da es ohne weiteres möglich war, die Leistung durch eine grössere Trommellänge und Abscheiderzahl zu erhöhen. Ein derartiger Abscheider ist beispielsweise in der USA-Patentschrift Nr. 2 648 397 gezeigt.
Bei Atomkraftwerken, in welchen ein Reaktor die Dampferzeugung bewirkt und in welchen eine Kernreaktion stattfindet, wird die Wärme durch siedendes Wasser bzw. Dampf auf eine Antriebsmaschine über- tragen. Das Grundprinzip von Siedewasserreaktor ist an sich bekannt, beispielsweise durch folgende Publikation : Boiling Water Reactors by Andrew W. Kramer, Addison-Wesley Publishing Company, 1958 .
Diese Reaktoren funktionieren im Prinzip derart, dass eine Wärmequelle eine Mischung von siedendem Wasser und Dampf erzeugt, welche Komponenten voneinander getrennt werden müssen. Bei bekannten Reaktoren niedriger Leistungsdichte wurde der Dampf in der Weise abgetrennt, dass im Reaktor- kessel oberhalb des Kernes eine Flüssigkeitsschicht aufrechterhalten wurde, wie dies beispielsweise in folgender Veröffentlichung beschrieben wurde : Proceedings of the International Conference on the
Peaceful Uses of Atomic Energy, 1955, Volume 3,
Seite 56 ff und Seite 250 ff .
Die Durchsatzmenge an Dampf ist bei diesen Systemen jedoch beschränkt auf einen Wert, welcher dem Querschnitt der freien
Flüssigkeitsoberfläche multipliziert mit der maximalen Oberflächenablösungsgeschwindigkeit des Dampfes entspricht, welcher von der Oberfläche entfernt werden kann, ohne dass unverdampftes Wasser in grösserem Ausmass mitgerissen wird. Die Maximalgeschwindigkeit ändert sich dabei mit dem Druck und der Temperatur des Systemes und beträgt bei spielsweise bei 70 ata und 285 C etwa 30 cm pro
Sekunde. Bei solchen Abscheidern beträgt der Anteil an mitgerissenem Wasser etwa 6 Gew. %. Einem derartigen Dampf muss in einem Trockner noch
Flüssigkeit entzogen werden, bis dieser nur noch etwa 0,1 Gew. % an freier Flüssigkeit enthält, um einen sicheren Betrieb einer Dampfturbine zu erlauben.
Diese bei etwa 0,1 % liegende Grenze verläuft tiefer als bei den üblichen Verwendungszwecken für Dampf, um radioaktive Niederschläge in der Turbine zu begrenzen oder nach Möglichkeit zu verhindern. Hochleistungsreaktoren bedingen somit spezielle Abscheidereinrichtungen. So ist beispielsweise die 192-Megawattanlage des Heisswasserreaktors in Dresden Station bei Chicago mit einer Dampftrommel versehen, welche etwa 26 m oberhalb des Oberteiles des Reaktordruckkessels liegt. Die Trommel hat einen Durchmesser von etwa 2,4 m und eine Länge von etwa 20 m und enthält etwa 290 einzelne Dampf-Flüssig- keit-Abscheider. Der Reaktor erzeugt etwa 12 Millio- nen kg Wasser-Dampf-Mischung pro Stunde, welche über einen Verteiler den Abscheidern zugeführt wird.
Das abgeschiedene Wasser wird von der Trommel wieder dem Reaktor zugeführt, und zwar in einer Menge von etwa 11,2 Millionen kg pro Stunde. Diese Abscheider sowie Rückführung des Wassers verlangt einen grossen Aufwand an Rohren, Isolationen, Stützträgern usw., welcher zwar im vorliegenden Fall durch eine erhöhte Leistung des Systems gegenüber den konventionellen Siedewasserreaktoren gerechtfertigt ist.
Eine wesentliche Verringerung an Aufwand für solche Heisswasserreaktoren könnte dadurch herbeigeführt werden, dass ein Abscheider mit der gleichen Leistung von seiner erhöhten Lage entfernt und im Innern des Reaktordruckkessels angeordnet würde, wobei ein Reaktor mit einem Innendurchmesser von etwa 406 cm des Druckkessels mit dem besten er hältlichen Abscheider ausgerüstet würde, d. h. mit der höchsten Dampfabscheideleistung pro Volumeneinheit, was Axialfluss-Zentrifugal-Abscheider mit Siebtrocknern sind. Damit ist die elektrische Leistung durch die Abscheider auf einen Wert von etwa 200 Megawatt begrenzt. Dies ist jedoch nicht wesentlich grösser als die Leistung der erwähnten Dresden-Station, welche einen etwas grösseren Druckkessel aufweist.
Demzufolge bezieht sich die Erfindung auf einen Flüssigkeitsabscheider, welcher dadurch gekennzeich net ist, dass weitere Abfuhrorgane vorhanden sind, welche vom zentral angeordneten Dampfabfuhrrohr radial distanziert sind und einen Durchgang frei lassen, um Grenzschichten des Gemisches aufzu fangen, umzulenken und abzuführen.
Mit diesen Abscheidern ist es möglich gemacht, die elektrische Abgabeleistung von Dampfkraftanla gen wesentlich zu erhöhen, und zwar auf mindestens
300 Megawatt (elektrisch). Im weiteren ist es mit solchen Abscheidern möglich, Wasser und Dampf voneinander zu trennen, bei einem Dampfanteil von etwa 5-25 %, wobei die Trennung dieser Mischung sehr wirksam und mit erhöhter Geschwindigkeit erfolgt.
In der Zeichnung ist eine an sich bekannte Ausführungsform und Ausführungsbeispiele des Erfin dungsgegenstandes dargestellt. Es zeigen :
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen an sich bekannten Abscheider, um Dampf von Flüssigkeit zu trennen.
Fig. 2 ist eine Draufsicht auf den Abscheider, gemäss Fig. 1.
Fig. 3 ist ein Querschnitt durch den Abscheider gemäss den Fig. 1 und 2 nach der Linie 3-3 in Fig. 1.
Fig. 4 ist ein Längsschnitt durch einen Abscheider gemäss der Erfindung samt Trockner.
Fig. 5 ist ein Querschnitt nach der Linie 5-5 in Fig. 4.
Fig. 6 ist eine perspektivische Darstellung, teilweise im Schnitt durch die Wirbelkammer, gemäss den Fig. 4 und 5.
Fig. 7 ist eine graphische Darstellung bezüglich des Spaltverhältnisses.
Der zum Stande der Technik gehörende Abscheider für die Trennung von Dampf von unverdampfter Flüssigkeit gemäss den Fig. 1-3 weist einen Abscheiderteil 10 sowie einen Trocknerteil 14 auf. Der Abscheider 10 ist unten mit einem Einlasskonus 16 versehen, welcher eine Einlassöffnung 12 besitzt und gegen oben in eine Wirbelkammer 18 einmündet. Im unteren Teil dieser Wirbelkammer 18 befinden sich eine Mehrzahl von Schaufeln oder Flügeln 20, welche bewirken, dass einem Gemisch von Wasser und Dampf, welches in Axialrichtung von unten nach oben durch die Einrichtung hindurchfliesst, eine Rotations-und Wirbelbewegung erteilt wird.
Durch diese Flügel wird auf die durchgeführte Mischung eine Fliehkraftwirkung ausgeübt, welche bewirkt, dass die schwereren Bestandteile der Mischung, also das Wasser und der Nebel, an die Aussenwände gedrängt und die leichten Bestandteile, also der Dampf, sich in der Umgebung der Längsachse befindet. Die Flüssigkeit bzw. der Flüssigkeitsnebel strömt dann auf einer Schraubenlinie nach oben und wird über eine Uberlaufkante 22 abgeführt. Die ungefähre Begrenzunglinie zwischen Flüssigkeit und Dampf ist dabei mit 24 bezeichnet.
Am oberen Ende der Wirbelkammer ragt ein Rohrstück 26 in diese hinein, wobei eine obere Deckplatte 28 vorhanden ist, welche den Ringraum zwischen diesem Rohrstück 26 und dem Aussen- mantel 30 abschliesst. Zwischen der Wirbelkammerwand und dem Aussenmantel 30 wird somit eine Ringkammer 32 gebildet, die eine sich nach unten öffnende Auslassöffnung 34 aufweist. Das Wasser bzw. der stark wasserhaltige Nebel wird somit umgelenkt und fliesst über die Auslassöffnung 34 ab.
Das Rohrstück 26 mündet oben in einem Trockner 14. In Fig. 2 ist eine Ansicht des Trockners gezeigt, welcher oben auf der Wirbelkammer 18 aufgesetzt ist. Dieser Trockner weist eine Mehrzahl von zuein- ander parallel verlaufender, gewellter Platten 40 auf, die voneinander distanziert sind und in ihrer gegenseitigen Lage durch Distanzstücke 42 festgehalten sind und von Spannschrauben 44 starr gehalten werden.
In Fig. 3 ist ein Querschnitt durch die Einrich- tung gemäss Fig. 1 gezeigt, wobei die konzentrische Anordnung zwischen dem Aussenmantel 30 und der Wand der Wirbelkammer 18 ersichtlich ist. Die Flügel 20 sind durch eine Nabe 50 gehalten, so dass mehrere Durchgänge entstehen. Der Anstellwinkel dieser Flügel wird so gewählt, dass ein gewünschter Durchfluss und eine entsprechende Leistung des Apparates erreicht wird.
In Fig. 4 ist ein Längsschnitt durch den erfin dungsgemässen Apparat gezeigt. Dieser Apparat weist einen Abscheiderteil 70 sowie einen Trocknerteil 72 auf. Der Abscheiderteil enthält eine Wirbelkammer 74 mit einem Eintrittskonus 76, welcher unten mit einer Einlassöffnung 78 in Verbindung steht. Im Unterteil der Wirbelkammer 74 befinden sich eine Mehrzahl von Schaufeln oder Flügeln 80, welche von einer zentralen Nabe 82 in etwa radialer Richtung abragen. Die Durchgänge zwischen den Flügeln oder Schaufeln dienen dazu, dem Wasser-und-Dampf Gemisch einen Drall zu erteilen. Die Form der Nabe ist so ausgebildet, dass ihr Kegelwinkel grösser ist als der Winkel des Eintrittskonus 76, so dass sich also eine Verringerung der freien Querschnittsfläche mit zunehmendem Abstand von der Einlassöffnung 78 im Bereiche der Flügel 80 ergibt.
In diesem Bereich wird also die Geschwindigkeit der durchgeleiteten Wasser-und-Dampf-Mischung wesentlich erhöht, beispielsweise erreicht die Geschwindigkeit etwa 35 Meter pro Sekunde. Die ungefähre Trennlinie zwischen dem mehr mit Wasser und dem mehr mit Dampf oder Nebel angereicherten Teil der Mischung ist mit 84 bezeichnet.
Ein erstes Rohr 86 ragt von oben in die Wirbelkammer 74 hinein, wobei ein ringförmiger Zwischenraum zur Wirbelkammer 74 gebildet wird. Eine ringförmige erste Deckplatte 90 ist an diesem Rohr 86 befestigt und ragt von diesem ausgehend nach aussen, wobei der Aussenrand dieser Deckplatte mit dem Mantel 92 verbunden ist. Dieser Mantel 92 ist von der Wirbelkammerwand distanziert angeordnet, so dass sich ein ringförmiger Zwischenraum 94 zwischen diesen beiden Wänden bildet. Die Wand der Wirbelkammer 74 ragt dabei nicht ganz bis zur Deckplatte, so dass eine Überlaufkante für die Abführung des Wassers entsteht. Im Zwischenraum 94 befinden sich eine Mehrzahl von Umlenkblechen 95, deren Zweck darin besteht, die Drehbewegung des abfliessenden Wassers zu bremsen.
Innerhalb des Rohres 86 befindet sich ein weiteres, bezüglich des Rohres 86 koaxial angeordnetes etwas längeres Rohr 98, wobei zwischen diesen ein ringförmiger freier Zwischenraum 100 verbleibt. Dieses Rohr 98 wird oben durch eine zweite Deckplatte 102 abgeschlossen, wobei die Rohrstirnseite mit der Deckplatte und diese mit dem Aussenzylinder 104 verbunden ist. Diese beiden Platten 102 und 90 liegen parallel zueinander und lassen einen Zwischenraum frei. Der Zwischenraum 100 mündet somit in einen Zwischenraum 106 ein, welcher unten eine ringförmige Auslassöffnung 108 bildet, die ihrerseits von einer ringförmigen, flüssigkeitsdurchlässigen Manschette 110 umgeben ist. Durch diese tritt die Flüssigkeit langsam hindurch, um eine Störung oder Beunruhigung des Flüssigkeitsniveaus 112 zu vermeiden.
Im Betrieb fliesst nun der Dampf durch das Aus lassrohr 98 in den Trocknerteil 72. Die Flüssigkeit hingegen gelangt in den Bereich des Überlaufs 88, wobei sie etwa in Richtung der eingezeichneten Pfeile fliesst und schliesslich in den Zwischenraum 94 gelangt, worauf sie gegen die Auslassöffnung 96 gemäss den eingezeichneten Pfeilen strömt. Es erfolgt somit eine Umlenkung dieser Flüssigkeit um 180 . Durch die Umlenkbleche 95 wird die Drall-Bewegung des Wassers gebremst und dieses beruhigt.
Bei Untersuchungen von Einrichtungen gemäss Fig. 1 hat es sich gezeigt, dass der Wasseranteil des Dampfes ein relativ hohes Mass erreicht. Es wurde vermutet, dass dies von der Reibung herrührt, welche an der Deckplatte 28 erzeugt wurde. Wirbel bewirken, dass Wasser im erhöhten Masse mitgerissen wurde, wodurch ein hoher Feuchtigkeitsgehalt des Dampfes entstand.
Beim Abscheider gemäss den Fig. 4 und 5 dienen die zwei ringförmigen Wasserablaufmittel dazu, diese Grenzschichten zu sammeln und abzuführen, um eine wirksamere Trennung des Dampfes zu erreichen.
Diesem Zwecke dient das Rohr 98, die obere Kopf- platte 102 und der Aussenzylinder 104. Die Grenzschichten werden dadurch gesammelt, um 180 umgelenkt und aussen um den Mantel 92 geführt, wobei verhütet wird, dass die über dem Überlauf abfliessende Flüssigkeit wieder in den Abscheider eintreten kann.
Diese Grenzschichten werden nach abwärts und auswärts zwischen dem Mantel 92 und dem Aussen- zylinder 104 über die Auslassöffnung 108 abgeführt.
In der Manschette 110 wird die kinetische Energie dieser Strömungen im wesentlichen vernichtet.
Auf diese Weise wird gleichzeitig der Wassergehalt des Dampfes, welcher oberhalb des Flüssig- keitsniveaus 112 liegt und der Dampfgehalt in der Flüssigkeit 114 verringert. Dadurch hat der Dampf, welcher in den Trockner gelangt, selbst bei hohen Durchflussgeschwindigkeiten einen vergleichsweise niedrigen Feuchtigkeitsgehalt.
Die verwendeten Schaufeln oder Flügel sind an sich bekannt, beispielsweise aus folgender Literaturstelle Centrifugal and Axial Flow Pumps bei A. J. Stipanoff, John Wiley and Son 1948, Seiten 16 und 14J bis 154 ; Report Nr, 1602 of Oak Ridge National Laboratory by J. A. Hafford describing.
Solche Schaufeln erzeugen einen freien Wirbelstrom in der Wirbelkammer 74 mit einem höchsten volumetrischen Eingang in derselben.
Der Nachtrockner 72 weist ein Gehäuse 120 auf, welches als Fortsetzung zum Aussenzylinder 104 ausgebildeL ist. Ferner ist ein ringförmiger Trocknungsmantel 122 sowie ein perforierter, innerer Konus 124 vorhanden, welcher mit Öffnungen 126 und einem Trichterteil 128 versehen ist. Dieser Trichterteil 128 hat unten ein zentrales Auslassrohr I30. Das untere Ende des Trocknungsmantels 120 ist mit einer Mehrzahl von Öffnungen 132 versehen, welche knapp oberhalb der Deckplatte 102 liegen.
Ein Ring 136 mit dreieckförmigem Querschnitt liegt oberhalb des Rohres 98 und bildet die Verbindung mit dem Trockner 72. Dieser Ring bildet mit seiner innern Schrägfläche 138 die untere Einlassfläche für den Nachtrockner. Die obere Einlassfläche wird durch die äussere Konusfläche des Trichters 128 gebildet.
Diese Flächen liegen angenähert parallel zueinander und bilden einen Durchgang, dessen kleinste Quer schnittsfläche mindestens gleich der Querschnittsfläche des Auslassrohres 98 ist, welche Querschnittsfläche mit zunehmender Distanz von der ringförmigen Passage zunimmt. Die vertikale Fläche 140 des Ringes 136 wirkt als Damm, welcher verhütet, dass Flüssigkeit 142, welche sich im Sieb 144 ansammelt, erneut in den Trockner gelangen kann. Dieses Sieb 144 hat eine zylindrische Form und ist auf der Innenseite des Gehäuses 120 angeordnet, Ein weiteres Sieb 146 befindet sich auf der Innenseite des Konus 124.
Der Dampf, welcher vom Abscheiderteil 70 in den Trockner 72 über das Auslassrohr 98 eintritt, strömt zwischen dem Trichter 128 und dem Ring 136 in den Hohlraum zwischen dem perforierten Konus 124 und dem Trocknungssieb 144. Der in der Wirbelkammer erzeugte Drall bewirkt, dass die Flüssigkeitstropfen, welche mitgerissen werden, in das Trocknungssieb gelangen. In diesem Sieb wird ein Teil der kinetischen Energie des Wirbelstromes aufgenommen, so dass sich die Drallgeschwindigkeit verringert und ein wesentlicher Anteil der mitgerissenen Flüssigkeitstropfen abgeschieden wird. Diese niedergeschlagenen Flüssigkeitstropfen werden auf der Sieboberfläche gesammelt und tropfen infolge ihrer Schwerkraft nach unten, unter Bildung der Flüssigkeitsschicht 142.
Diese Flüssigkeit fliesst durch die Öffnungen 132 am Trocknungsmantel 120 in die Flüssigkeit 114.
Der Dampf strömt nun mit einer reduzierten Drehgeschwindigkeit und mit einem verminderten Feuchtigkeitsgehalt aufwärts nach innen durch die Öffnungen 126 im Konus 124 und hernach durch das innere Sieb 146. Da der Dampf durch mehrere Siebe hindurchtreten muss, wird seine Drehgeschwindigkeit nahezu vernichtet und ausserdem wird sein Feuchtigkeitsgehalt nochmals in ähnlicher Weise vermindert, wie dies beim Sieb 144 der Fall ist. Die totale Fläche der Öffnungen 126 im inneren Konus 124 ist mindestens gleich, vorzugsweise jedoch grösser als die minimale Fläche für den Durchfluss zwischen dem Ring 136 und dem Trichter 128.
Die Flüssig- keit, welche sich im innern Sieb 146 ansammelt, tropft infolge der Schwerkraft nach unten in den Trichter 128, von welchem die Tropfen durch das zentrale Ablaufröhrchen 130 in die Wirbelkammer 74 gelangen. Hier werden sie erneut vom Drall des Gemisches mitgerissen, sobald sie aus der Längsachse der Wirbelkammer herausgelangen und nach aussen geschleudert, wobei sie erneut vom Dampf getrennt werden und in den wasserhaltigen Strom gelangen.
Der getrocknete Dampf verlässt den Trockner durch die obere Öffnung 148, deren Querschnitt mindestens gleich der totalen Fläche der Öffnung 126 im oberen Konus 124 ist. Der Feuchtigkeitsgehalt ist etwa 6 Gewichts-Prozent oder weniger bei der grössten Durchsatzmenge.
Fig. 5 ist ein Querschnitt durch den Abscheider gemäss der Erfindung und zeigt die koaxiale Anordnung der verschiedenen beschriebenen Elemente, wobei die Darstellung ein Schnitt nach der Linie 5-5 in Fig. 4 ist. Das innerste Rohr ist das Auslassrohr 98 für den Dampf ; hierauf folgt ein Zwischenraum 100, anschliessend das Rohr 86 und hierauf die Öffnung 88, die Wirbelkammer 74 und der Ringkanal 94 und schliesslich der Mantel 92, welcher von der Deckplatte 102 umgeben ist und hierauf der Aussenzylinder 104. Im Ringkanal 94 sind 12 Um lenkflügel oder Schaufeln 95 vorhanden, welche zueinander je um 30 versetzt angeordnet sind.
Aus Fig. 6 geht u. a. die Form der Flügel hervor, welche an der Nabe 82 befestigt sind. Die Umlenkflügel 80 haben gegenüber denjenigen in Fig. 4 eine leicht geänderte Form. Dies wurde deshalb vorgenommen, um den Eintrittskonus 76 zu vermeiden und die Flügel mit ihrer Nabe 82 im untersten Teil der Wirbelkammer anzuordnen. Zwischen der Wirbelkammer 74 und dem Mantel 92 befinden sich oben eine Mehrzahl von Umlenkflügeln 95, die in ihrem oberen Teil in der Drallrichtung des Wassers gebogen sind, welches über die Überlaufkante fliesst.
Dieser Winkel liegt üblicherweise etwa zwischen 5 und 15 , bezogen auf die Horizontale und gemessen an der Flügelwurzel. Das untere Ende der Flügel liegt parallel zur Längsaxe der Wirbelkammer.
In Fig. 6 ist der untere Teil der Wirbelkammer weggeschnitten gezeichnet, um deren Inneres zu zeigen. Die Flügel 80 sind an ihren unteren Teilen so geformt, dass sie sich parallel zur Längsachse der Wirbelkammer erstrecken und ihre oberen Teile sind gebogen, und zwar entgegengesetzt zu den Umlenk flügeln 95, um die Flüssigkeit zwischen den Schaufeln hindurchzuleiten und eine schraubenlinienförmige Bewegung der Mischung im Innern der Wirbelkammer zu erzeugen. Der Winkel dieser Flügel beträgt an der Wurzel gemessen 30-40 , bezogen auf die Horizontale.
Die nachfolgenden Beispiele zeigen den Aufbau und die Wirkungsweise des erfindungsgemässen Abscheiders mit Trockner im Vergleich zu den an sich bekannten Abscheidern.
Beispiel 1
Ein an sich bekannter Dampfabscheider gemäss Fig. 1 hat folgende angenäherte Dimensionen :
Tabelle 1 Wirbelkammer-Rohr 18
Durchmesser.... 21,5 cm Länge....... 35,5 cm Dampfauslassrohr 26 Durchmesser..... 13,5 cm Länge....... 6, 9 cm Deckplatte 28
Aussendurchmesser.. 30,5 cm Aussenmantel 30 Länge....... 38,1 cm Flügel 20 Anzahl..... 4
Art........ schraubenförmig
Anstellwinkel zur Horizontalen 40 Einlassrohr 16 Einlassdurchmesser... 15,2 cm Trockner 14
Typ........
Wellplatten
Breite....... 43,2 cm Länge...... 43,2 cm Höhe........ 10,2 cm
Beispiel II
Der Abscheider mit Trockner gemäss dem Beispiel I (Fig. 1-3) wurde mit einer Dampf-Wasser Mischung von 9,66% bei einem Druck von 70 ata und einer Temperatur von 285 C geprüft, um seine Wirksamkeit zur Trennung des Wasser-und Dampfgemisches bei unterschiedlichen Durchsatzmengen festzustellen. Die grösste Abscheidungsleistung wurde bei 533 m3 Wasser-und-Dampf-Mischung pro Stunde festgestellt, was einem Dampfgehalt von 13400kg pro Stunde beim Eintritt entsprach. Bei diesem Maximaldurchfluss entstand ein Dampf mit einem Feuchtigkeitsgehalt von etwa 6 %.
Beispiel 111
Ein Abscheider im wesentlichen gemäss Beispiel I, jedoch in der Ausführung gemäss der vorliegenden Erfindung hat folgende Abmessung :
Tabelle II
Wirbelkammer 74
Durchmesser 21,5 cm
Länge... 61,0 cm Dampfauslass-Rohr 98
Durchmesser.. 13,5 cm
Länge... 7,6 cm
Kopfpla, tte 102
Aussendurchmesser 34,2 cm
Oberes Mantelrohr 104 Länge..... 64,7 cm
Inneres Rohr 86
Durchmesser... 16,9 cm
Länge... 3,8 cm Deckplatte 90
Aussendurchmesser.... 30, 5 cm Aussenmantel 92 Länge........ 63,5 cm Flügel 28 Art...... freie Verwirbelung Anzahl...... 8
Winkel bezogen auf Horizontale
Einlassende...
90
Auslassende 27 Umlenkflügel
Art...... freie Verwirbelung Anzahl.... 12 Teilung
Winkel bezogen auf Horizontale 30
Einlass..... 15
Auslass........ 90
Trockner 72 Art..... Zentrifugal Äusseres Sieb 144
Innendurchmesser.... 11,25
Höhe 17,8 cm
Dicke..... 2,54 cm
Inneres Sieb 146 Deckel 29, 1 cm
Boden..... 14,2 cm
Dicke...... 2,54 cm Beispiel IV
Der Dampftrockner wurde bei 70 ata und 285 C mit einer 9, 66-prozentigen Dampf-Wasser-Mischung gemäss Beispiel geprüft.
Es wurde festgestellt, dass die Maximalleistung bei einem Feuchtigkeitsgehalt von 6% etwa bei 99 m3 Mischung pro Stunde erreicht wurde. Dies entspricht einem Dampfanteil von 24000kg pro Stunde am Einlass und ist eine Er höhung von 90% über die Leistung des Abscheiders gemäss Beispiel I.
Es wurde somit festgestellt, dass die Axialdistanz bzw. der Spalt zwischen dem Uberlauf der Wirbelkammer 74 und der unteren Fläche der Deckplatte 90 einen kritischen Einfluss auf die Wirkungsweise dieses Abscheiders hat. Die Einrichtung war so ausgebildet, dass dieser Spalt verändert werden konnte.
Das Resultat dieser Veränderung und die damit zusammenhängende Leistung des Abscheiders ist in Fig. 7 graphisch dargestellt.
In dieser Figur bedeutet : A = Durchsatz im Vergleich zur Maximaldurch satzmenge, B = Feuchtigkeitsgehalt des Dampfes (in Gewichts prozenten), C = Spalthöhe in Einheiten, D = Überlappung des Rohres 86 in Prozenten der Spalthöhe.
In dieser Fig. 7 sind die Gewichtsprozente an Feuchtigkeit, welche vom Dampf gemäss dem Beispiel III mitgerissen werden, graphisch dargestellt, in Abhängigkeit des Axialspaltes am obern Ende der Wirbelkammer und in Abhängigkeit der Distanz des Rohres 86, welches in die Wirbelkammer hineinragt, bzw. der Überlappung derselben, ausgedrückt in Prozenten des Axialspaltes, wobei verschiedene Durchsatzmengen als Parameter aufgetragen wurden.
Der Axialspalt stieg dabei von etwa 0,65 Einheiten (entsprechend 1,65 cm) auf etwa 1,25 Einheiten (entsprechend 3,17 cm) an und als die tuber- lappung von 150 auf 25 % des Spaltes verringert wurde, entstand ein kritischer Effekt bezüglich des Feuchtigkeitsgehaltes des abströmenden Dampfes. Bei jeder Einlassmenge pro Zeiteinheit verringerte sich der Flüssigkeitsanteil auf ein Minimum und stieg hierauf wieder an, wenn der Spalt und die tuber- lappungswerte variiert wurden.
Bei einer Annahme von 6% Feuchtigkeitsgehalt des abströmenden Dampfes ergibt sich, dass das Beispiel III des Abscheiders und Trockners gemäss der Erfindung eine Maximalleistung von etwa 99 m3 pro Stunde bei einem Axialspalt von etwa 2,54 cm aufweist. Bei dieser Ausführung enthält das abgetrennte Wasser etwa 0,2 Gew. % an Dampf. Diese Leistung ist 180 % derjenigen der an sich bekannten Abscheider gemäss den Beispielen 1 und II bzw. den Fig. 1 bis 3.
Die nachfolgenden Beispiele zeigen die Verände- rungen der maximalen Durchflussrate (begrenzt durch die Dampfabscheideleistung) des Siedewasserreaktors, welcher mit 70 ata 285 C arbeitet und den grössten Kern aufweist, welcher in einem Druckkessel von 406 cm Innendurchmesser placier werden kann.
Beispiel V
Ein Siedewasser-Reaktor mit einer Leistung von 1100 Megawatt (thermisch) weist 276 Brennerstäbe von etwa 3 m Länge und einem Querschnitt von etwa 18 18 cm auf. Diese bestehen aus einer Zirkaloy -Umhüllung U02 mit einem Gehalt von etwa 2,1 Uran U23 . Diese Stäbe sind in einem Viereck von 10 X 10 Stück angeordnet und gegenseitig etwa 1,65 cm distanziert. Der Umfassungskreis dieses Kernes hat einen Durchmesser von etwa 343 cm. Die durchschnittliche Wärmeerzeugung beträgt etwa 1,15 Millionen kcal/m3 (128 000 BTU/h ft2) mit Spitzenleistungen von etwa 5 Millionen kcal/m3 (474 000 BTU/h ft2).
Wenn dieser Reaktor ohne speziellen Dampftrockner im Reaktorkessel verwendet wird und nur von der freien Ablösung des Dampfes von der siedenden Flüssigkeitsober- fläche Gebrauch gemacht wird, entsteht ein Dampf mit nicht mehr als 6 % Feuchtigkeitsgehalt, wobei die Dampfabscheidung die maximale Wärmeabgabe -mit welcher der Reaktor betrieben werden kannauf etwa 270 Megawatt (thermisch) begrenzt. Dies reicht aus, um eine Turbine mit Generator anzutreiben, welche etwa 87 Megawatt (elektrisch) abgibt.
Beispiel VI
Falls der Siedewasser-Reaktor gemäss Beispiel V mit 85 Flüssigkeitsabscheidern gemäss den Fig. 1-3 und den Beispielen I und II ausgerüstet ist, dann ist dies die Höchstzahl dieser Abscheider, welche in einem Kessel von 406 cm Durchmesser untergebracht werden kann. Dadurch wird die Dampf-Abscheide Leistung auf 610 Megawatt (thermisch) beschränkt.
Die entsprechende elektrische Abgabeleistung ist 197 Megawatt, was einer Verbesserung von 126 % gegenüber dem Beispiel V entspricht.
Beispiel VII
Wenn der Siedewasser-Reaktor gemäss Beispiel V mit 85 verbesserten Abscheidern und Trocknern gemäss der Erfindung versehen wird, entsprechend Fig. 4-6 und Beispiel III und IV, lässt sich eine Steigerung der Abscheideleistung auf 1100 Megawatt (thermisch) erreichen. Dies entspricht einer Abgabe von 356 Megawatt an elektrischer Energie und bedeutet eine Verbesserung von 310% gegenüber dem Beispiel V und von 80% gegenüber Beispiel VI.
Hieraus ist ersichtlich, dass sich durch diesen Flüssigkeitsabscheider gemäss der Erfindung zusammen mit dem Trockner eine wesentliche Verbesserung erreichen lässt, wobei eine sehr grosse Erhöhung der maximalen elektrischen Abgabeleistung bei Siedewasser-Reaktoren möglich ist.
Im erfindungsgemässen Abscheider tragen Zentrifugaltrockner, die zwei ringförmigen Abflussrohre, die kritischen Dimensionen des Spaltes zwischen der Deckplatte und der Überlaufkante der Wirbelkammer und das Mass, mit welchem die Rohre in die Wirbelkammer hineinragen, je dazu bei, den ge wünschten vorteilhaften Effekt zu erhalten. Die Länge des Rohres 86 liegt etwa zwischen 2 und 20 % der Länge der Wirbelkammer, vorzugsweise zwischen 5 und lOso dieser Länge. Sie ist ferner etwa 20-50 sÓ des Radius der Wirbelkammer. Der Betrag, um welchen dieses Rohr in die Wirbelkammer hineinragt und die Spaltgrösse haben einen wesentlichen Einfluss auf die Leistung des Abscheiders, namentlich bei der maximalen Durchflussmenge.
Diese Dimensionen sind weitgehend bestimmend für den Anteil an mitgeführter Flüssigkeit. So ist beispielsweise der Feuchtigkeitsgehalt kleiner als 6 % bei einer 80 prozentigen Durchsatzmenge und bei einem Druck von 70 ata bei einer axialen Spaltgrösse, welche zwischen 20 und 35 % über derjenigen Spaltgrösse liegt, welche den geringsten Feuchtigkeitsgehalt ergibt. Bei geringeren Durchsatzmengen ist die Variation grösser. Bei maximaler Leistung ist jedoch die zulässige Variation 10% des axialen Spaltes, welcher den geringsten Feuchtigkeitsgehalt des Dampfes ergibt.
Die Überschneidung, d. h. das Mass, mit welchem das Rohr in die Wirbelkammer hineinragt, ausgedrückt in Prozenten der Spalthöhe, ist bei geringerer Durchsatzmenge weniger kritisch als bei höheren Durchsatzmengen. Diese Prozentwerte erstrecken sich von etwa 15-90%, bei einer Durchsatzmenge von 80 %. Bei der maximalen Durchsatzmenge reduziert sich dieser Wert jedoch auf 35-65 %.
Statt für Wasser liessen sich diese Abscheider auch zum Trennen der Dämpfe anderer Flüssigkeiten verwenden.