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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Phasenseparation
eines Mehrphasenfluidstroms mit einem im Wesentlichen um eine Mittelachse
rotationssymmetrisch ausgestalteten, einen Hohlraum umschließenden Gehäuse, mit
wenigstens einer Zufuhrleitung für
den Fluidstrom, die für
eine im Wesentlichen tangential zur Gehäuseinnenseite gerichtete Einströmung des
Fluidstroms ausgelegt ist, und mit wenigstens einer Abfuhrleitung
für den
separierten gasförmigen
Anteil des Fluidstroms. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf
eine Dampfturbinenanlage mit einer Hochdruckturbine und einer Niederdruckturbine
und mit einer derartigen Vorrichtung. Sie bezieht sich ferner auf
ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Dampfturbinenanlage.
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In
Kraftwerken, insbesondere Kernkraftwerken, in denen zur Energieerzeugung
bzw. Energieumwandlung Dampf verwendet wird, werden gewöhnlich unterschiedliche
Turbinen eingesetzt, die mit unterschiedlichem Dampfdruck arbeiten.
Der in einem Kraftwerk erzeugte Frischdampf wird dabei beispielsweise
in eine Hochdruckturbine geleitet, leistet dort Arbeit und wird
somit entspannt. Bevor der Dampf nun in eine Niederdruckturbine,
die für
geringeren Dampfdruck ausgelegt ist, eingeleitet wird, wird gewöhnlich sein
Wasseranteil reduziert. Darüber hinaus
ist gewöhnlich
eine Überhitzung
des Dampfes vor seiner Einleitung in die Niederdruckturbine vorgesehen.
Durch diese Maßnahmen
wird einerseits der Wirkungsgrad der Niederdruckturbine gesteigert,
andererseits wird die Lebensdauer der Turbine erhöht, da Schäden, die
beispielsweise durch tropfenbedingte Erosion bzw. Korrosion der
Bauteile entstehen können,
reduziert bzw. vermieden werden.
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Um
den aus der Hochdruckturbine austretenden, entspannten Dampf derartig
aufzubereiten, werden gewöhnlich
strömungsmäßig in Reihe
geschaltete Was serabscheider und Zwischenüberhitzer verwendet, die baulich
in der Art einer Neben- oder Hintereinanderaufstellung miteinander
kombiniert sein können
(kombinierter Wasserabscheider/Zwischenüberhitzer, kurz WaZü). Dabei
wird gewöhnlich in
einer ersten Komponente des Wasserabscheiders/Zwischenüberhitzers
der Wasseranteil des Dampfes reduziert, bevor der nun im Wesentlichen gasförmige Anteil
in eine zweite Komponente geführt wird,
in der er überhitzt
wird. Der somit überhitzte Dampf
wird nun in die Niederdruckturbine eingeleitet, wo er entspannt
wird und dadurch Arbeit verrichtet.
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Zur
Abscheidung des Wasseranteils können verschiedene
Vorrichtungen verwendet werden. Dazu gehören beispielsweise Bleche,
an denen der Dampfstrom entlang geleitet wird. Zur Abscheidung des
Wasseranteils kann ferner auch ein sogenannter Zyklonabscheider
oder Zyklon verwendet werden, in dessen im Wesentlichen rotationssymmetrisches Gehäuse der
Dampfstrom tangential zur Gehäuseinnenseite
eingeführt
wird. Dadurch wird der schwerere Wasseranteil durch die Zentrifugalkraft
nach außen
gedrängt,
und der leichtere, im Wesentlichen gasförmige Anteil strömt aufgrund
der sich im Zyklon ausbildenden Strömungsverhältnisse in das Innere des vom
Gehäuse
umgebenen Hohlraumes und sammelt sich dort. In beiden Fällen wird
der gasförmige
Anteil des Dampfes nun in eine strömungsmäßig nachgeschaltete und baulich/räumlich separierte zweite
Komponente des WaZü geleitet,
in der er überhitzt
wird. Dies wird gewöhnlich
dadurch erreicht, dass von dem Dampf Heizrohre angeströmt werden,
die den Dampf durch Wärmeübertragung entsprechend
erhitzen bzw. überhitzen.
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Damit
die Abscheidung von Wasser bzw. die Zwischenüberhitzung des Dampfes zufriedenstellend erfolgen
können,
müssen
die jeweiligen Komponenten entsprechend großvolumig dimensioniert werden,
woraus sich unmittelbar ein entsprechender Materialaufwand und räumlicher
Platzbedarf ergibt. Andererseits sind bei der Konstruktion von Kraftwerken möglichst
geringer Materialbedarf und Raumbedarf erstrebenswert.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur
Phasenseparation eines Mehrphasen-Fluidstroms bereitzustellen, die
sich zur Erhitzung des gasförmigen
Anteils des Fluidstroms, z. B. Dampfes, eignet, und geringe Anforderungen
an Material und Platzbedarf stellt. Weiterhin soll eine Dampfturbinenanlage
mit einer Hochdruckturbine und einer Niederdruckturbine, in der
eine derartige Vorrichtung besonders vorteilhaft verwendet werden kann,
angegeben werden. Ferner soll ein Verfahren zum Betreiben einer
solchen Dampfturbinenanlage angegeben werden.
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Bezüglich der
Vorrichtung zur Phasenseparation eines Mehrphasen-Fluidstroms wird
diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem
im Hohlraum zur Erhitzung des gasförmigen Anteils ausgelegte Heizelemente
in einem konzentrisch um die Mittelachse gelegenen Ringraum angeordnet
sind.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
Erfindung geht von der Überlegung
aus, dass der vergleichsweise große Raumbedarf herkömmlicher
Wasserabscheider/Zwischenüberhitzer unter
anderem darauf beruht, dass die Abscheidung von Wasser aus dem ursprünglich aus
der Hochdruckturbine austretenden Dampf und die anschließende Überhitzung
des separierten gasförmigen
Anteils zeitlich nacheinander in zwei räumlich voneinander getrennten
Raumbereichen oder Gerätekomponenten
erfolgt, die in der Art einer strömungsseitigen Reihenschaltung
hintereinander angeordnet sind. Dadurch werden spezifische Anforderungen
an die bauliche Konstruktion der Wasserabscheider/Zwischenüberhitzer
gestellt, die systembedingt einen relativ großen Einbauraum benötigen.
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Wie
aber nun erkannt wurde, müssen
diese zwei Raumbereiche nicht notwendigerweise baulich hintereinander
in getrennten Gehäusen
angeordnet sein. Geeignete Strömungsverhältnisse
vorausgesetzt, lassen sich diese Raumbereiche nämlich auch in einem einzigen
Gehäuse
ineinander geschachtelt anordnen, wobei die Flüssigkeitsabscheidung und die Überhitzung
des gasförmigen
Fluidanteils für
ein gegebenes Volumenelement des Fluids zeitlich gesehen im Wesentlichen
simultan bzw. kurz nacheinander erfolgen.
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Derartige
geeignete Strömungsverhältnisse werden
von einem Wasserabscheider in Zyklonbauweise geliefert. Durch das
tangentiale Anströmen
der Gehäuseinnenseite
des Zyklons erfolgt durch die auf den Strom wirkende Zentrifugalkraft
das Abscheiden der schweren Komponente, beispielsweise Wasser, im
Außenbereich
des vom Gehäuse
umgebenen Hohlraums an der Gehäuseinnenseite.
Der leichtere, gasförmige
Anteil des ursprünglichen
Fluidstroms, beispielsweise Wasserdampf, strömt dabei in das Innere des
Hohlraums. Werden nun in einem inneren oder mittleren Bereich des
Hohlraums, insbesondere in einem Ringraum, Heizelemente zur Erhitzung
bzw. Überhitzung
des gasförmigen
Anteils derart angeordnet, dass der Übertritt der leichteren Phase
in den Innenbereich weiterhin ermöglicht ist, so werden die gasförmigen Anteile
direkt während
ihres Übertritts
in den Innenbereich erhitzt bzw. überhitzt. Dadurch entsteht
im Inneren des zur Wasserabscheidung ausgelegten äußeren Raumbereiches
ein innerer Raumbereich, der im Wesentlichen den überhitzten
Dampf enthält.
Der überhitzte,
gasförmige
Anteil kann dann aus dem inneren Raumbereich herausgeführt und bedarfsmäßig weiter
verwendet werden. Durch diese Ineinanderschachtelung der zwei funktionell
unterschiedlichen Raumbereiche kann ein kombinierter Wasserabscheider/Zwischenüberhitzer
in ausgesprochen kompakter Bauweise realisiert werden. Zusätzlich dazu
können
Materialkosten eingespart werden, da für die beiden Prozesse nur ein
einziges Gehäuse
notwendig ist.
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Eine
derartige Konstruktion ist nicht auf die Behandlung von Wasserdampf
beschränkt.
Sie kann immer dann eingesetzt werden, wenn aus einem mehrkomponentigen
Fluidstrom eine oder mehrere Phasen von schweren Teilchen bzw. Bestandteilen absepariert
werden sollen, und der oder die leichten Anteile des ursprünglichen
Fluidstroms erhitzt werden sollen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Ringraum mit den Heizelementen für eine Durchströmung des
gasförmigen
Anteils des Fluidstroms ausgelegt. Dabei separiert er den Hohlraum
in einen zwischen Gehäuseinnenseite
und Ringraum liegenden Einströmraum
und einen innerhalb des Ringraums liegenden Abströmraum. Eine
klare Trennung der beiden Raumgebiete erlaubt in optimierter Weise
eine Separation der beiden aufeinanderfolgenden Prozesse. Es ist
insbe sondere vorteilhaft, wenn der in den Einströmraum strömende Anteil des Fluidstroms
einen möglichst
geringen Anteil der schweren Komponente hat, um Energie für seine
Erhitzung zu sparen. Bei einem Einsatz in einer Dampfturbinenanlage
können
dadurch Wirkungsgrad und Lebenszeit bzw. Wartungsintervalle der
Turbine erhöht
werden.
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Je
nach Zusammensetzung des mehrkomponentigen Fluidstromes sind unterschiedliche
Ausgestaltungen des rotationssymmetrischen Gehäuses vorteilhaft. Beispielsweise
kann sich das Gehäuse
zu einer Richtung hin, insbesondere in Richtung zur Abfuhrleitung
(Strömungsauslass)
hin in seinem Querschnitt verjüngen.
Eine Abscheidung von Wasser aus einem Wasserdampf-/Wasser-Strom
wird vorzugsweise in einem im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgestalteten
Gehäuse
durchgeführt.
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Um
die Schwerkraft zur Abscheidung der schweren Komponente des Mehrphasen-Fluidstroms in
optimierter Weise zu nutzen, hat die Mittelachse des Gehäuses vorzugsweise
eine im Wesentlichen vertikale Ausrichtung. Die schwere Komponente
des Fluidstromes bewegt sich (fließt) dann an der Gehäuseinnenseite
nach unten und kann dort gesammelt bzw. abgeführt werden. Generell ist eine
Vertikalaufstellung des Zyklonabscheiders vorteilhaft, da in diesem
Fall die Schwerkraft keine Unwucht in der Wirbelströmung hervorruft.
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Für die Verwendung
der Vorrichtung in einer Dampfturbinenanlage mit einer Hochdruckturbine und
einer Niederdruckturbine sollte der der Hochdruckturbine entnommene
Dampf der Niederdruckturbine im überhitzten
Zustand zugeführt
werden. Dazu sollten die Heizelemente hinsichtlich ihrer Heizleistung
zur Überhitzung
des gasförmigen
Anteils des Fluidstromes, insbesondere Wasserdampfes, ausgelegt
sein.
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Eine
möglichst
effektive Nutzung der Vorrichtung wird erreicht, wenn der Mehrphasen-Fluidstrom durch
mehrere Zufuhrleitungen zugeführt
wird. Liegen die Zufuhrleitungen – jedenfalls im Bereich ihres Gehäuseanschlusses – in einer
zur Mittelachse des Gehäuses
im Wesentlichen senkrechten Ebene, sind sie vorteil hafterweise derart
ausgelegt, dass der Geschwindigkeitsvektor des in den Hohlraum einströmenden Fluidstroms
eine Komponente hat, die aus dieser Ebene heraus weist. Hierbei
ist ein gemittelter Geschwindigkeitsvektor gemeint, der über die
einzelnen Bestandteile des Fluidstroms gemittelt ist. Dadurch kann
verhindert werden, dass die durch die verschiedenen Zufuhrleitungen
einströmenden
Fluidströme
miteinander kollidieren, und die Fluidströme erhalten eine Vorzugsrichtung
in Richtung der Mittelachse. Vorteilhafterweise strömt dabei
der Fluidstrom in einem Winkel zwischen 10° und 30°, insbesondere von etwa 15°, zu einer
senkrecht zur Mittelachse stehenden Ebene ein. Das heißt, der
sich infolge der Wandgeometrie einstellenden Wirbelströmung wird vorzugsweise
eine Geschwindigkeitskomponente in Richtung der Mittelachse überlagert,
so dass sich insgesamt eine helixartige Strömung ausbildet. Bei einer Vertikalaufstellung
der Separationsvorrichtung weist die in Richtung der Mittelachse
gerichtete Geschwindigkeitskomponente vorteilhafterweise nach unten.
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Vorzugsweise
werden für
die Einströmung des
Fluidstroms vier Zufuhrleitungen verwendet, die gleichmäßig und
symmetrisch über
den Umfang des Gehäuses
verteilt angeordnet sind. Bei geeigneter Dimensionierung des Gehäuses kann
auf diese Weise der einströmende
Fluidstrom vorteilhaft auf vier gleich große Bereiche der Gehäuseinnenseite
aufgeteilt werden, ohne dass die einzelnen Ströme aufeinandertreffen und sich
dabei stören.
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Die
sich im Gehäuse
der Vorrichtung ausbildenden Strömungsverhältnisse
sorgen dafür,
dass der gasförmige
Anteil des Fluidstroms in das Innere des vom Gehäuse umgebenen Hohlraums strömt. Dort
strömt
er die Heizelemente an und wird dabei erhitzt bzw. überhitzt.
Die Richtung, mit der die Heizelemente angeströmt werden, kann durch im Einströmraum angeordnete
Leitbleche bzw. Leitschaufeln optimiert werden. Zum Beispiel kann
auf diese Weise erreicht werden, dass die Heizrohre im Wesentlichen
frontal angeströmt
werden, bzw. die tangentiale Komponente kann reduziert werden. Da
andererseits diese Leitelemente den Einströmraum verkleinern, sollte je
nach Anwendung entschieden werden, ob und mit welchen Abmessungen
sie verwendet werden.
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Im
Bedarfsfall, falls der durch die Zyklonwirkung erzielte Abscheidegrad
zu schlecht ist und der in den Innenbereich übertretende gasförmige Anteil des
Fluidstroms eine für
die beabsichtigte Verwendung bzw. für die weitere Erhitzung zu
große
Menge der schwereren flüssigen
Komponente mit sich trägt, können in
dem Einströmraum
zur weiteren Abscheidung Feinabscheider angeordnet werden. Das sich im
Feinabscheider bildende Kondensat kann durch eine Kondensatableitung
aus dem Hohlraum abgeführt
werden.
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Die
Vorrichtung eignet sich sowohl zur einstufigen als auch zur mehrstufigen
(Zwischen-)Überhitzung.
Zur zwei- bzw. mehrstufigen Überhitzung können beispielsweise
im Ringraum in Richtung der Mittelachse gesehen zwei bzw. mehrere
Gruppen von Heizelementen hintereinander angeordnet sein. Die den
einzelnen Gruppen zugehörigen
Heizelemente können
dabei für
jeweils unterschiedliche Heizleistungen bzw. Heiztemperaturen ausgelegt sein.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Vorrichtung sind die Heizelemente rohrförmig ausgestaltet. Zur Erhitzung
bzw. Überhitzung
des gasförmigen
Anteils können
die Heizelemente von einem fluiden Heizmedium, insbesondere Wasserdampf, durchströmt werden.
Für eine
mehrstufige Erhitzung kann dazu beispielsweise in unterschiedlichen
Gruppen von Heizelementen Dampf mit unterschiedlichem Druck und/oder
unterschiedlicher Temperatur verwendet werden.
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Für eine möglichst
effektive Erhitzung des gasförmigen
Anteils werden als Heizelemente geradlinige Rohre verwendet, die
parallel zur Mittelachse des Gebäudes
ausgerichtet sind. Hierzu kann im Ringraum eine Mehrzahl von Rohren
angeordnet sein, die je nach Anwendung unterschiedlich ausgestaltet sein
können.
Beispielsweise können
Glattrohre oder Rippenrohre, oder günstige Kombinationen dieser Rohrtypen,
verwendet werden. Zweckmäßigerweise sind
die einzelnen Rohre derart voneinander beabstandet, dass durch die
verbleibenden Zwischenräume
ein möglichst
ungehinderter Übertritt
der aus der Fluidströmung
separierten gasförmigen
Phase vom außen
liegenden Einströmraum
in den innen liegenden Abströmraum
erfolgen kann. Andererseits ist natürlich eine gewisse „Dichte” von Rohren
erforderlich, um die angestrebte Heizwirkung zu realisieren.
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Die
Heizrohre sind vorteilhafterweise zu Rohrbündeln zusammengefasst. Dabei
können
sogenannte Ringbündel
eingesetzt werden, bei denen die Rohre mehr oder weniger gleichmäßig verteilt
im Ringraum angeordnet sind. Alternativ oder in Kombination dazu
können
sogenannte Einzelbündel
Verwendung finden. Dabei sind jeweils mehrere zueinander benachbarte
Heizelemente zu einem Bündel zusammengefasst.
Die Einzelbündel
können
vormontiert sein und lassen sich als Ganzes handhaben. Im Bedarfsfall
lassen sie sich leichter montieren, demontieren bzw. austauschen
als Einzelrohre.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist in das Gehäuse
eine ringförmige,
senkrecht zur Mittelachse ausgerichtete Trennplatte eingesetzt ist,
die den Hohlraum in zwei Teilräume
aufteilt, und deren Innenkreis im Wesentlichen mit dem Innenkreis
des Ringraums übereinstimmt,
und deren Außenkreisradius
etwas geringer als der Radius der Gehäuseinnenseite ist. Dadurch
sind die beiden Teilräume
strömungsmäßig nur
durch einen im Innenkreis der Trennplatte und damit im Innern des
Ringraums liegenden Durchgang miteinander verbunden. Vorteilhafterweise
befinden sich die Zufuhrleitungen und die Abfuhrleitungen in jeweils
unterschiedlichen Teilräumen.
Der gasförmige
Anteil des Fluidstroms kann auf diese Weise besonders günstig durch
das Gehäuse
geführt
werden, wobei sicher gestellt wird, dass er den Ringraum zweimal,
nämlich
einmal von außen
nach innen, und einmal von innen nach außen, durchströmt. Da die
Trennplatte in radialer Richtung nicht bis zur Gehäuseinnenseite
reicht, kann das Kondensat dort ungehindert abfließen.
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Bezüglich der
Dampfturbinenanlage wird die oben genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem
die Zufuhrleitung oder alle Zufuhrleitungen der oben beschriebenen
Separationsvorrichtung mit dem Dampfauslass der Hochdruckturbine
verbunden sind, und die Abfuhrleitung oder alle Abfuhrleitungen mit
dem Dampfeinlass der Niederdruckturbine verbunden sind. Somit wird
der Dampf aus der Hochdruckturbine in die Separationsvorrichtung
eingeleitet, in der einerseits der Wasseranteil aus dem Dampf abgeschieden
wird und anderseits der gasförmige Anteil überhitzt
wird. Der überhitzte
Dampf wird anschließend
in die Niederdruckturbine eingeleitet, wo er zur weiteren Energiegewinnung
verwendet wird.
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Bezüglich des
Verfahrens wird die oben genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem
der dem Dampfauslass der Hochdruckturbine entströmende Dampf in einen Hohlraum
geleitet wird, der von einem im Wesentlichen um eine Mittelachse
rotationssymmetrischen Gehäuse
umschlossen ist, wodurch der Dampf in Rotation versetzt wird und
sein gasförmiger
Anteil vom flüssigen
Anteil separiert und in einem innerem Bereich des vom Gehäuse umgebenen
Hohlraumes gesammelt wird, und wobei der gasförmige Anteil bei seinem Übertritt
in den inneren Bereich durch Heizelemente erhitzt wird und anschließend dem
Dampfeinlass der Niederdruckturbine zugeführt wird.
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In
einer bevorzugten Version des Verfahrens sind zumindest einige der
Heizelemente rohrförmig ausgestaltet,
bilden also Heizrohre. Der von einem Dampferzeuger erzeugte Frischdampf
wird in zumindest einige der Heizrohe geleitet, wodurch der mit den
Außenseiten
der Heizrohre im Kontakt tretende gasförmige Anteil des in die Separationsvorrichtung eingeleiteten
Fluidstroms erhitzt bzw. überhitzt
wird. Alternativ oder in Kombination dazu kann der Hochdruckturbine
Anzapfdampf entnommen werden, der dann in zumindest einige der Heizelemente
geleitet wird. Auf diese Weise kann insbesondere eine zwei- oder
mehrstufige Überhitzung
des gasförmigen
Anteils des Fluidstroms erreicht werden.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass durch eine geschickte Anordnung von Heizelementen innerhalb
eines Zyklonabscheiders eine Abscheidung einer schweren Komponente
bzw. einer flüssigen
Phase eines Mehrphasen-Fluidstroms bei gleichzeitiger Erhitzung
bzw. Überhitzung
des gasförmigen
Anteils des Fluidstroms in ausgesprochen raumsparender und Material
und Baukosten schonender Weise realisiert werden kann. Dadurch ist
die Vorrichtung insbesondere für
den Einsatz in Anlagen geeignet, die auf engem Raum gebaut werden
müssen.
Zur primären
Abscheidung der schweren Komponente oder Phase des Fluidstroms wird
dabei das Zyklonprinzip genutzt. Der Einbau von zusätzlichen
Feinabscheidern erlaubt eine weitere Reduzierung der schweren Komponente.
Die Anströmung
der Heizelemente, die zur Erhitzung bzw. Überhitzung der leichten Phase des
Fluidstroms ausgelegt sind, kann durch die Verwendung von Leitblechen,
Leitschaufeln bzw. Lochblenden weiter verbessert werden.
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Eine
Dampfturbinenanlage, bei der eine derartige Separationsvorrichtung
zwischen eine Hochdruckturbine und Niederdruckturbine geschaltet
ist, kann in besonders kompakter und Material schonender Bauweise
realisiert werden. Dabei kann die Vorrichtung im Wesentlichen in
einem vertikal aufgestellten Gehäuse
direkt unter der Hochdruckturbine angebracht werden, so dass das
Gas aus dem Dampfauslass der Hochdruckturbine am oberen Ende des Gehäuses in
die Vorrichtung einströmen
kann. Durch Abfuhrleitungen am unteren Ende des Gehäuses kann
dann der überhitzte
Dampf der Niederdruckturbine zugeführt werden.
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Verschiedene
Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand einer Zeichnung erläutert. Darin
zeigen in stark schematisierter Darstellung:
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1 vier
verschiedene, aneinandergesetzte viertelkreisförmige Teilquerschnitte von
vier verschiedenen möglichen
Ausgestaltungen einer Vorrichtung zur Phasenseparation eines Mehrphasen-Fuidstroms
mit einem im Wesentlichen um eine Mittelachse rotationssymmetrisch
ausgestalteten Gehäuse,
wobei die jeweilige Querschnittsebene senkrecht zur Mittelachse
gewählt
ist,
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2 einen
Längsschnitt
durch die linksseitige Hälfte
einer Ausführungsform
der Vorrichtung gemäß 1,
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3 eine
weitere Ausführungsform
der Vorrichtung gemäß 1 im
rechtsseitigen Längsschnitt,
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4 eine
Mehrzahl von Heizelementen der Vorrichtung gemäß 1 bis 3 und
von den Heizelementen zugeordneten Leitschaufeln, hier im Querschnitt
mit Blickrichtung in Richtung der Mittelachse dargestellt,
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5 einen
Längsschnitt
durch die linksseitige Hälfte
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Vorrichtung gemäß 1,
und
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6 ein
schematisiertes Blockschaltbild einer Dampfturbinenanlage mit einer
Hochdruckturbine, einer Niederdruckturbine, einem Frischdampferzeuger
sowie mit einer Vorrichtung zur Phasenseparation eines Mehrphasen-Fluidstroms
gemäß einer Ausführungsform
nach 1 bis 5.
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Gleiche
Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Die
in 1 gezeigte Vorrichtung 1 zur Phasenseparation
eines Mehrphasen-Fluidstroms
umfasst ein im Wesentlichen um eine Mittelachse M rotationssymmetrisch
und hohlzylindrisch ausgestaltetes Gehäuse 2, das einen Hohlraum 3 umschließt und in
das vier Zufuhrleitungen 6 eingelassen sind. Dabei entspricht
jeder Quadrant der 1 einer möglichen Ausgestaltung der Vorrichtung,
wobei in Wirklichkeit jeweils alle vier Quadranten in einer der hier
gezeigten vier Weisen realisiert sind. Das Gehäuse 2 hat in einer
bevorzugten Ausgestaltung einen Durchmesser von ca. 6 Metern.
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Der
Mehrphasen-Fluidstrom (nicht eingezeichnet) strömt dabei in Einströmrichtung 10 im
Wesentlichen tangential zur Gehäuseinnenseite 11 in den
vom Gehäuse 2 umgegeben
Hohlraum 3 ein. Bei dem Fluidstrom kann es sich beispielsweise
um Dampf handeln, der aus dem Dampfauslass einer in einer Dampfturbinenanlage
installierten Hochdruckturbine durch die Zufuhrleitungen 6 in
das Gehäuse 2 der
Vorrichtung 1 geleitet wird. Das Gehäuse 2 ist vorzugsweise
aus Stahl bzw. Edelstahl angefertigt, wobei je nach Einsatzgebiet
auch andere Materialien vorteilhaft sein können.
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Der
Fluidstrom wird dabei in Rotation versetzt, wobei die auf den Fluidstrom
wirkende Zentrifugalkraft die schwere Komponente des Fluidstroms, in
diesem Fall Wasser, nach außen
an die Gehäuseinnenseite 11 zieht.
Der gasförmige
Anteil des Fluidstroms bewegt sich aufgrund der sich im Hohlraum 3 ausbildenden
Strömungsverhältnisse
von dem Einströmraum 12 in
den Ringraum 14. Der ringförmige Ringraum 14 schließt den im
Inneren des Gehäuses 2 liegenden
zylindrischen Abströmraum 16 räumlich ein.
In dem Ringraum 14 sind Heizelemente, die hinsichtlich
ihrer Heizleistung zur Überhitzung
des gasförmigen
Anteils des Fluidstroms ausgelegt sind, angeordnet. Dabei können einzelne
Heizrohre 18 Verwendung finden, die in ihrer Gesamtheit
gewissermaßen
Ringbündel
bilden. Bei einer Länge
der im Ringbündel
verwendeten Rohre von ca. 13 m und einem Gehäusedurchmesser von 6 m stehen
bei einem Außendurchmesser
des Bündels
von ca. 3,5 m und einem Rohrdurchmesser von jeweils ca. 2,3 cm bei
einer Gesamtanzahl von ca. 5000 Rohren ca. 16.000 m2 Heizfläche zur
Verfügung.
Alternativ dazu oder in Kombination mit den Heizrohren 18 können Einzelbündel 20 eingesetzt
werden. Die Heizrohre 18 bzw. Einzelbündel 20 werden in
Strömungsrichtung 22 von
dem gasförmigen
Anteil des Fluidstroms angeströmt.
Der gasförmige
Anteil wird im Ringraum 14 überhitzt, worauf er in den
Abströmraum 16 weiterströmt. Von
dort wird er durch Abfuhrleitungen 24 (in 1 nicht
eingezeichnet) in die Niederdruckturbine weitergeleitet.
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Bei
einer direkten Anströmung
der Heizelemente durch den Fluidstrom kann aufgrund früherer Erfahrungen
ein Abscheidewirkungsgrad des Wassers von bis zu ca. 80% erreicht
werden. Dies bedeutet, dass der die Heizrohre 18 bzw. Einzelbündel 20 anströmende Dampf
noch ca. 2,6% Wasseranteil hat. Um im Bedarfsfall den Wasseranteil
noch weiter zu reduzieren, können
im Einströmraum 12 Feinabscheider 28 angebracht
sein. Als Feinabscheider 28 können beispielsweise unterschiedlich
ausgestaltete Bleche Verwendung finden. Es können auch so genannte Rippenabscheider
verwendet werden. Eine weitere Alternative besteht aus Paketen von
gewellten Blechen. Gewöhnlich
sind diese Abscheideelemente in einem Rahmen befestigt bzw. verankert. Unter
Zuhilfenahme der Feinabscheider 28 kann der Wasseranteil
auf ca. 0,5% bis 1% reduziert werden. Allerdings geht mit dem Einbringen
der Feinabscheider 28 in den Einströmraum 12 ein Druckver lust
einher und der Einströmraum 12 wird
verkleinert. Im Ausführungsbeispiel
sind die Feinabscheider 28 auf einem um die Mittelachse
M gelegenen Außenkreis mit
ca. 4 m Durchmesser angeordnet und stellen eine Anströmungsfläche von
ca. 70 m2 bereit.
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Unter
Berücksichtigung
der gesamten Energiebilanz der Vorrichtung 1 wird die zusätzlich gebrauchte
Wärme,
die durch den erhöhten
Wasseranteil von ca. 2,6% (ohne Feinabscheider 28) im Vergleich
zu 0,5 bis 1% (mit Feinabscheidern 28) am Eintritt des
Rohrbündels
verursacht würde,
durch den Wegfall des durch die Feinabscheider 28 verursachten
Druckverlustes wahrscheinlich vernachlässigbar sein. Die Energiebilanz
ergibt sich dabei wie folgt: Um bei einem Wasseranteil von 2,6%
auf denselben Austrittsdruck und dieselbe Austrittstemperatur des Dampfes
an der Abfuhrleitung 24 zu kommen wie bei einem Wasseranteil
von 0,5 bis 1%, muss ca. 20% mehr Frischdampf von der Frischdampfleitung
bzw. von der Hochdruckturbine angezapft und in die Heizrohre eingeleitet
werden. Wenn aber der rohrseitige Massenstrom durch die Heizrohre
gleich bleibt, sinkt aufgrund des ca. 2% höheren Wasseranteils die Austrittstemperatur
um ca. 20 K. Pro Kelvin Temperaturverlust sinkt die Generatorleistung
in einer typischen Kraftwerksturbine um ca. 0,2 MWe (Megawatt
elektrisch). Dagegen gewinnt man pro bar weniger Druckverlust 10 MWe an Generatorleistung. Ein Austrittstemperaturverlust
des überhitzten
Dampfes von ca. 20 K lässt
sich somit durch eine Verringerung des Austrittsdruckverlustes von
ca. 400 mbar kompensieren.
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Um
die Anströmung
der Heizelemente zu verbessern bzw. um die tangentiale Komponente
der Anströmungsgeschwindigkeit
zu reduzieren bzw. komplett auszuschließen, können Leitbleche 32, Lochbleche 34 bzw.
Leitschaufeln 36 im Einströmraum 12 angeordnet
sein. Durch diese Umlenkvorrichtungen wird allerdings der Einströmraum 12 in seiner
Größe reduziert.
Leitbleche 32, Lochbleche 34 und Leitschaufeln 36 können in
der Vorrichtung 1 jeweils alleine oder in unterschiedlichen
Kombinationen miteinander verwendet werden.
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Als
Heizelemente können
Rohrbündel
Verwendung finden, wie sie u. a. in Wärmetauschern verwendet werden.
Um eine möglichst
große
Heizoberfläche
zur Verfügung
zu stellen, können
dabei Rippenrohre bzw. geschlitzte Rippenrohre eingesetzt werden.
Es können
auch – gegebenenfalls
in Kombination mit diesen – Glattrohre
Verwendung finden. Die Rohre werden dabei beispielsweise von Frischdampf
bei ca. 70 bar und/oder – bei
mehrstufiger Erhitzung – von
Anzapfdampf der Hochdruckturbine bei ca. 30 bar durchströmt. Die
Heizrohre 18 weisen vorzugsweise an der Außenseite
ein rundes Querschnittsprofil auf, um dem zu erhitzenden Fluidstrom möglichst
wenig Strömungswiderstand
entgegenzusetzen.
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Die
Vorrichtung 1 ist in 2 in einem
linksseitigen Längsschnitt
in einer möglichen
Ausführungsform
dargestellt. In dieser Ausführungsform
ist das Gehäuse 2 der
Vorrichtung 1 im Wesentlichen senkrecht aufgestellt. Das
Gehäuse 2 ist
im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgestaltet und rotationssymmetrisch
um die Mittelachse M. In den Ringraum 14 sind Heizrohre 18 in
Form eines Ringbündels
montiert. Zur Überhitzung
des gasförmigen
Anteils wird den Heizrohren 18 Frischdampf durch die Frischdampfzuleitung 38 zugeführt. Auf
etwa halber Höhe des
Gehäuses 2 wird
der Hohlraum 3 durch eine horizontal ausgerichtete, ringförmige Trennplatte 37 in einen
oberen und einen unteren Teilraum aufgeteilt. Die Trennplatte 37 erstreckt
sich in radialer Richtung vom Innendurchmesser des Ringraumes 14 bzw. Ringbündels bis
fast zur Gehäuseinnenseite 11.
Der obere und der untere Teilraum sind auf diese Weise strömungsmäßig nur über den
innerhalb der Trennplatte 37 liegenden Verbindungsabschnitt
des Abströmraums 16 verbunden.
Diese Ausführung
kann (jedenfalls im oberen Teilraum) mit allen vier in 1 dargestellten
Varianten kombiniert werden.
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Die
Heizrohre 18 können
durch die Trennplatte 37 durchgeführt werden und sich über beide Teilräume erstrecken.
Alternativ dazu – insbesondere bei
zweistufiger Erhitzung – können zwei
Gruppen von Heizrohren 18, nämlich eine Gruppe im oberen und
eine Gruppe im unteren Teilraum, verwendet werden. Dabei können die
Heizrohre 18 der beiden Gruppen für jeweils unterschiedliche
Heizleistungen ausgelegt sein.
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Der
aus der Hochdruckturbine austretende Dampf wird durch die Zufuhrleitungen 6 in
das Gehäuse 2 in
den oberen Teilraum geleitet und strömt die Gehäusein nenseite 11 in
tangentialer Richtung an. Hierbei wird der Wasseranteil des Dampfes
an der Gehäuseinnenseite 11 abgeschieden.
Aufgrund der sich im Zyklon ausbildenden Strömungsverhältnisse und gegebenenfalls
mit Hilfe von Leitblechen 32, Leitschaufeln 36 bzw.
Lochblechen 34 strömt
der gasförmige
Anteil des Dampfes in den Abströmraum 16 und
durchquert den im Innern der Trennplatte 37 gelegenen Übergang
zum unteren Teilraum. Der gasförmige
Anteil ändert
nach Passieren des Übergangs seine
Richtung und wird wieder nach außen durch den Ringraum 14 in
Richtung der Gehäuseinnenseite 11 gelenkt,
wobei eine erneute Erhitzung durch die im Ringraum 14 angeordneten
Heizrohre 18 erfolgt. Anschließend strömt der erhitzte, gasförmige Anteil
in die seitlich am Gehäuse 2 angebrachten
Abfuhrleitungen 24 und weiter in die Niederdruckturbine.
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Da
die Trennplatte 37 nicht ganz bis an die Gehäuseinnenseite 11 heranreicht,
sondern dort ein Ringspalt verbleibt, kann das an der Gehäuseinnenseite 11 herunter
fließende
Kondensat, hier Wasser, in den Kondensatablauf 42 im unteren
Teilraum eintreten. Darüber
hinaus ist ein zweiter Kondensatablauf 43 im vertieften
Bodenbereich des Gehäuses 2 vorgesehen, über den
das in unteren Teilraum sich sammelnde Kondensat durch eine Kondensatableitung 46 ablaufen
kann.
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Eine
weitere Ausgestaltung der Vorrichtung 1, die mit den bislang
gezeigten Ausführungen
kombiniert werden kann, ist in 3 zu sehen.
Auch hier ist die Mittelachse M des Gehäuses 2 im Wesentlichen
senkrecht ausgerichtet. Die Zufuhrleitungen 6 münden in
das Gehäuse 2 derart,
dass der Fluidstrom mit einem Gefälle von ca. 15° die Innenseite des
Gehäuses 2 anströmt. Dadurch
wird der Wirbelströmung
im Inneren des Hohlraumes eine – über die Schwerkraftwirkung
hinaus gehende – nach
unten gerichtete Geschwindigkeitskomponente überlagert, wodurch die gewünschte,
im Wesentliche spiral- oder helixartige Strömungsführung unterstützt wird.
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Darüber hinaus
sind bei der in 3 dargestellten Variante im
Einströmraum 12 zur
verstärkten Abscheidung
von Wasser Feinabscheider 28 angebracht. Das sich in den
Feinabscheidern 28 sammelnde Kondensat wird durch eine
Feinabscheiderkondensatableitung 50 in den Kondensatablauf 42 geleitet.
Das Kondensat, in diesem Falle Wasser, wird durch die Kondensatableitungen 46 aus
dem Gehäuse
geleitet.
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Eine
mögliche
Ausführungsform
der optional vorgesehenen Leitschaufeln 36 ist in 4 in
einem Querschnitt dargestellt. Die gewählte Querschnittsebene liegt
senkrecht zur Mittelachse M der Vorrichtung 1. Dabei sind
die Leitschaufeln 36 zwischen einer gedachten inneren Umrandung 54 und
einer äußeren Umrandung 58 montiert.
Die Umrandungen 54 und 58 sind in Wirklichkeit
kreisförmig,
was aber in der ganz und gar schematischen und nicht maßstabsgerechten 4 nicht
erkennbar ist. Die Leitschaufeln 36 haben dabei ein gekrümmtes, sich
in Richtung der Heizrohre 18 verjüngendes Profil (es sind nur
die außen
liegenden Heizrohre 18 des von den Leitschaufeln 36 umgebenen
Ringbündels
dargestellt). Die Leitschaufeln 36 beeinflussen die Strömungsrichtung 22 des
Fluidstroms. Durch geeignete Form und Positionierung der Leitschaufeln 36 kann erreicht
werden, dass die Heizrohre 18 im Wesentlichen frontal angeströmt werden.
Eine tangentiale oder schräge
Anströmung
der Heizrohre 18 kann dadurch stark vermindert bzw. vermieden
werden.
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Die
in 5 dargestellte Ausführungsform der Vorrichtung 1 mit
im Wesentlichen vertikaler Ausrichtung der Mittelachse M ist für eine zweistufige
Erhitzung bzw. Überhitzung
des Fluidstroms ausgelegt. Dazu wird eine im äußeren Bereich des Ringraums 14 gelegene
Gruppe von Heizrohren 18 über eine Anzapfdampfzuleitung 40 mit
dem beispielsweise einer Hochdruckturbine entnommenen Anzapfdampf bei
ca. 30 bar versorgt. Einer inneren Gruppe von Heizrohren 18 wird über die
Frischdampfzuleitung 38 Frischdampf bei ca. 70 bar zugeleitet.
Das sich im Ringraum 14 bildende Kondensat kann über die
Kondensatableitungen 46 aus der Vorrichtung 1 abgeleitet
werden. Zwischen den Eintrittssammlern für die mit unterschiedlichem
Dampf versorgten Gruppen von Heizrohren 18 können zur
Trennung der jeweiligen Dämpfe
Trennbleche 82 vorgesehen sein. Dies gilt ebenso für die Austrittssammler.
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Von
dem durch die Zufuhrleitung 6 in das Gehäuse 2 einströmenden Fluidstrom
wird an der Gehäuseinnenseite 11 und
ggf. zusätzlich
an im Einströmraum 12 an geordneten
Feinabscheidern 28 der Wasseranteil abgeschieden, während der
gasförmige
Anteil in den Ringraum 14 strömt. Der gasförmige Anteil
umströmt
dabei erst die äußere, mit
Anzapfdampf versorgte Gruppe von Heizrohren 18 und danach
auf seinem Weg ins Innere des Abströmraums 16 die innere
Gruppe von Heizrohren 18 an. Der gasförmige Anteil wird so auf seinem
Weg ins Innere des Abströmraums 16 sukzessive
erhitzt. Diese Art der zweistufigen Erhitzung kann auf eine mehrstufige
Erhitzung mit Hilfe von zusätzlichen
Dampfzuleitungen und Rohrgruppen in offensichtlicher Weise verallgemeinert
werden. Ferner kann diese Form der zweistufigen oder mehrstufigen
Erhitzung mit der Variante, in der in Richtung der Mittelachse M
des Gehäuses 2 gesehen
mehrere, auf unterschiedliche Heizleistung ausgelegte Gruppen von
Heizrohren 18 hinter- bzw- übereinander angeordnet sind,
kombiniert werden.
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In
der in 5 gezeigten Variante der Vorrichtung 1 führt die
Abfuhrleitung 24 in vertikaler Richtung nach unten aus
dem Abströmraum 16 heraus.
Diese Ausgestaltung der Abfuhrleitung 24 und die damit
verbundene, vertikal nach unten gerichtete Abführung des erhitzten Dampfes
kann auch mit einer einstufigen Erhitzung kombiniert werden.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform
einer Dampfturbinenanlage 62 ist in 6 gezeigt.
Sie umfasst einen Frischdampferzeuger 66, eine Hochdruckturbine 70,
sowie eine Niederdruckturbine 74. Die Vorrichtung 1 ist
strömungsseitig
zwischen die Hochdruckturbine 70 und die Niederdruckturbine 74 geschaltet.
Der im Frischdampferzeuger 66 erzeugte Frischdampf wird
zur Verrichtung von Arbeit in die Hochdruckturbine 70 geleitet.
Unter Verrichtung von Arbeit entspannt sich der Dampf in der Hochdruckturbine 70,
wodurch sich sein Wasseranteil erhöht. Damit der Dampf in der
Niederdruckturbine 74 möglichst effizient
zur Energieerzeugung verwendet werden kann, muss er in geeigneter
Weise aufbereitet werden. Dazu muss sein Wasseranteil reduziert
werden, bevor er anschließend
in einen überhitzten
Zustand überführt wird.
Aus diesem Grunde wird der aus dem Dampfauslass der Hochdruckturbine 70 austretende Dampf über einen
Verteiler durch Zufuhrleitungen 6 in das Gehäuse 2 der
Vorrichtung 1 geleitet. Dort strömt der Dampf tangential zur
Gehäuseinnenseite 11 ein
und wird dadurch in Rotation ver setzt. Der gasförmige Anteil des Dampfes strömt in das
Gehäuseinnere,
wo er durch Heizelemente, insbesondere Heizrohre, in einen überhitzten
Zustand versetzt wird. Von dort wird der überhitzte Dampf durch Abfuhrleitungen 24 in
den Dampfeinlass der Niederdruckturbine 74 geleitet. Dort
kann der auf diese Weise aufbereitete Dampf weiter zur Energiegewinnung
verwendet werden. Die Heizrohre (hier nicht eingezeichnet) der Vorrichtung 1 werden
in diesem Ausführungsbeispiel durch
die Heizzuleitung 78 mit Frischdampf aus dem Frischdampferzeuger 66 versorgt.
Alternativ oder zusätzlich
könnte
der Hochdruckturbine 70 zu diesem Zweck Anzapfdampf entnommen
werden.
-
Die
Vorrichtung 1 ist selbstverständlich nicht auf den Einsatz
in Dampfturbinenanlagen beschränkt.
Sie kann im Wesentlichen immer dort eingesetzt werden, wo aus einem
Mehrphasen-Fluidstrom die schwerere Komponente oder Phase abgeschieden
werden soll und der gasförmige
Anteil erhitzt bzw. überhitzt
werden soll. Die schwere Komponente des Fluidstroms kann dabei wie
oben erläutert Wasser
sein. Es sind aber auch Anwendungen denkbar, in denen die schwere
Komponente aus festen Teilchen besteht. Dabei könnte es sich beispielsweise
um Ruß oder
Schmutzpartikel handeln.
-
- 1
- Vorrichtung
- 2
- Gehäuse
- 3
- Hohlraum
- 6
- Zufuhrleitung
- 10
- Einströmrichtung
- 11
- Gehäuseinnenseite
- 12
- Einströmraum
- 14
- Ringraum
- 16
- Abströmraum
- 18
- Heizrohr
- 20
- Einzelbündel
- 22
- Strömungsrichtung
- 24
- Abfuhrleitung
- 28
- Feinabscheider
- 32
- Leitblech
- 34
- Lochblech
- 36
- Leitschaufel
- 37
- Trennplatte
- 38
- Frischdampfzuleitung
- 40
- Anzapfdampfzuleitung
- 42,
43
- Kondensatablauf
- 46
- Kondensatableitung
- 50
- Feinabscheiderkondensatableitung
- 54
- innere
Umrandung
- 58
- äußere Umrandung
- 62
- Dampfturbinenanlage
- 66
- Frischdampferzeuger
- 70
- Hochdruckturbine
- 74
- Niederdruckturbine
- 78
- Heizzuleitung
- 82
- Trennblech
- M
- Mittelachse