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In vielen verfahrenstechnischen Anlagen, die von einem primären Fluid durchströmt sind, stellt sich die Aufgabe, ein sekundäres Fluid, insbesondere Wasser, möglichst homogen in das primäre Fluid einzumischen und häufig auch auf kürzestem Wege zu verdunsten. Zu diesem Zweck werden Zweistoffdüsen eingesetzt. Bei diesen Zweistoffdüsen wird die Flüssigkeit mittels eines gas- oder dampfförmigen Hilfsmittels zerstäubt. Diese Zweistoffdüsen zeichnen sich durch ein besonders feines Tropfenspektrum sowie durch ein sehr gutes Teillastverhalten aus.
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In manchen Anlagen, insbesondere in Kraftwerken und Müllverbrennungsanlagen, steht Wasserdampf zur Verfügung. Dann kann es aus Kostengründen sinnvoll sein, den Wasserdampf als Zerstäubungshilfsmittel einzusetzen, weil die Bereitstellung einer entsprechenden Druckluftmenge mit hohen Investition- und Betriebskosten verbunden wäre.
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Für die Zerstäubung mit Zweistoffdüsen stehen zwei Düsen-Basistypen zur Verfügung:
- – Innenmischende Düsen, bei denen der Dampf auf höherem Druckniveau wie in einem Einspritzkondensator bereits innerhalb der Düse mit der Flüssigkeit in innigen Kontakt kommt. Hier kondensiert der Dampf an der Flüssigkeit bis das thermodynamische Gleichgewicht näherungsweise erreicht ist. Die Flüssigkeit heizt sich dabei näherungsweise auf Siedetemperatur auf. Wenn genügend Dampf zur Verfügung steht, ist dies eine sehr effiziente Zerstäubungstechnik, denn die Oberflächenspannung wie auch die Zähigkeit der Flüssigkeit verringern sich mit steigender Temperatur, was positive Auswirkungen auf die Zerstäubung hat. Steht jedoch nicht genügend Dampf zur Verfügung, ist der nicht kondensierte Restdampfanteil vielfach nicht in der Lage, die Flüssigkeit fein genug zu zerstäuben, zumal sich der Flüssigkeitsstrom durch das angefallene Kondensat des Dampfes noch erhöht hat. Hier müsste dann an ganz andere Lösungsansätze gedacht werden, z. B. an die reine Druck-Zerstäubung von Wasser, welches in der Düse selbst oder schon außerhalb des Kanals, welcher das primäre Fluid führt, näherungsweise auf Siedetemperatur erhitzt wurde. Da es bereits sehr effiziente innenmischende Düsen gibt, die bei einem ausreichenden Dampfangebot eingesetzt werden können, und da hier der Wärmeübergang vom Dampf auf die Flüssigkeit infolge der Innenmischung zwangsläufig sehr gut ist, wird dieser Düsentyp in der vorliegenden Erfindung nicht näher betrachtet.
- – Außenmischende Düsen, bei welchen das Zerstäubungshilfsmittel erst am Düsenmund mit der zu zerstäubenden Flüssigkeit in direkten Kontakt kommt. Hier kann es durch Wärmeübergang vom heißen Wasserdampf (z. B. 300°C) auf das vergleichsweise kalte zu zerstäubende Wasser (z. B. 20°C) im Bereich des Düsenanschlusses bzw. innerhalb der Düse zu einer Abkühlung und in vielen Fällen auch zu einer Teilkondensation des Wasserdampfes kommen. Damit verliert der Dampf vorzeitig, d. h. vor seinem Einsatz als Zerstäubungshilfsmittel, einen erheblichen Teil seiner Enthalpie, und dadurch wird seine Zerstäubungskapazität stark geschwächt und die Zerstäubungsqualität der Düse bricht ein. Wenn ein Teil des Dampfes bereits innerhalb der Düse kondensiert, muss das dabei gebildete Kondensat zusätzlich von dem übrig gebliebenen Dampfanteil zerstäubt werden. Bei diesen Düsen ist es daher nach den Untersuchungen des Erfinders sinnvoll, kalte Flüssigkeit und heißen Dampf innerhalb des Düsenanschlusses bzw. in der Düse selbst weitestgehend thermisch zu entkoppeln.
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Zum Stand der Technik
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1 zeigt eine außenmischende Düse für die dampfgestützte Zerstäubung nach dem Stand der Technik. Hier wird die zu zerstäubende Flüssigkeit zentral zugeführt und über einen engen Ringspalt ausgestoßen, während das Zerstäubungshilfsmittel, Dampf oder Druckluft, mit hoher Geschwindigkeit aus einem die Zentraldüse umgebenden Ringspalt austritt.
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Wenn Wasser über eine Zentraldüse ausgestoßen wird, setzt man in vielen Fällen zusätzlich einen zentralen Feststoffkegel ein, wodurch ein einstellbarer Ringspalt für das austretende Wasser erzeugt wird. Bei derartigen Lösungen ist jedoch häufig Belagsbildung an der Endfläche des Kegels zu beobachten, wie dies in 1 gezeigt ist. Diese Beläge können sich mit der Zeit zu stalaktitenförmigen Gebilden entwickeln. An der Oberfläche dieses Belages kann es zur Abscheidung von Tropfen oder auch allgemein zu einem Flüssigkeitsfilm kommen, der zur Spitze des Belags strömt. Dort können sich in einem strömungsberuhigten Bereich große Tropfen ablösen. Diese großen Tropfen sind in aller Regel für die Verfahrenstechnik sehr schädlich, weil sie während der zur Verfügung stehenden Zeit nicht verdunsten, sondern zur Verschlammung oder generell zur Bildung störender Beläge oder auch zur Korrosion in nachfolgenden Anlagenteilen führen. Aus diesem Grunde ist ein zentraler Kegel jedenfalls dann unerwünscht, wenn er direkt mit Brauchwasser beaufschlagt wird, welches belagsbildende Inhaltsstoffe enthält, sei es in pertikulärer oder in gelöster Form. Ein weiterer Nachteil einer derartigen Lösung mit einem sehr schmalen Spalt, aus welchem das Wasser mit hoher Strömungsgeschwindigkeit austritt, liegt darin, dass mit Materialabtrag durch Erosion am Düsenmund zu rechnen ist. Dadurch würde sich der Spalt mit der Zeit vergrößern, sodass sich die Durchflusscharakteristik der Düse ändern müsste.
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Gemäß einer zweiten Lösung nach dem Stand der Technik, 2 wird auf den zentralen Kegel verzichtet, um die zuvor beschriebenen negativen Begleiterscheinungen zu vermeiden. Statt dessen wird ein Drallerzeuger in die Wasserführung in der Düse eingebracht. Durch den Drall wird erreicht, dass sich die Flüssigkeit in einem meist recht begrenzten Regelbereich der Düse als Film an die Wand anlegt oder als freier Hohlsprühkegel mit einem gewissen Wandabstand austritt. Hier stellt sich die Frage, ob der Regelbereich der Düse groß genug ist. Bei einem geringen Flüssigkeitsdurchsatz könnte der Drall für eine ausreichende Vorzerstäubung des austretenden Wassers zu schwach sein. Und für eine ausreichend feine Zerstäubng könnte dann ein relativ großer Massenstrom des Zerstäubungshilfsmittels erforderlich sein. Auch hier kann man durch Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeiten im Drallerzeuger bis zu einem gewissen grade für Abhilfe sorgen. Allerdings ist dann längerfristig sowohl im Drallerzeuger als auch am Düsenaustritt mit Materialabtrag durch Erosion zu rechnen.
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Auf die Problematik des Wärmeüberganges vom Dampf auf das kalte Wasser sei hier nicht eingegangen. Es besteht der Eindruck, dass diese Problematik in ihrer Bedeutung nicht erkannt wurde, sodass bei Düsen insbesondere für die Verdampfungskühlung nach dem Stand der Technik keine gezielten Maßnahmen zur thermischen Entkopplung getroffen wurden. Eine Hauptursache hierfür dürfte auch darin liegen, dass bei den Untersuchungen in Laboratorien in aller Regel aufbereitetes Wasser zerstäubt wird, häufig mit der Qualität von vollentsalztem Wasser. Das Problem der Beeinträchtigung der Zerstäubung durch Beläge an der Düse selbst wird dann nicht erkannt. Auch das Problem des Materialabtrages durch Erosion ist nicht augenfällig, da die Betriebszeiten der Düsen im Labor hierfür zu kurz sind.
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Lösungsvorschläge nach der Erfindung:
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Mit der vorliegenden Erfindung werden neuartige Düsenkonzepte vorgeschlagen, bei denen der innere Wärmeübergang von einem heißen Zerstäubungshilfsmittel, insbesondere von Wasserdampf, auf die zu zerstäubende Flüssigkeit minimiert bzw. auf einen vorteilhaften Wert begrenzt wird. Eine gewisse Vorheizung der Flüssigkeit ist jedoch durchaus vorteilhaft, weil sich hiermit, im Interesse einer guten Zerstäubung, die Oberflächenspannung und die Zähigkeit der Flüssigkeit verringern lassen.
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Bei diesen Lösungsvorschlägen nach der Erfindung geht es jedoch nicht ausschließlich um die Zerstäubungsqualität, wie sie sich im Labor unter idealen Randbedingungen an einer jungfräulichen Düse feststellen lässt. Vielmehr ist zu berücksichtigen, dass die Zerstäubungsqualität in der industriellen Praxis häufig unter der Bildung von Belägen innerhalb der Düsen oder am Düsenmund leidet. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn als Flüssigkeit Brauchwasser eingesetzt wird. Selbst wenn Schwebstoffe weitgehend durch Filtration eliminiert wurden, ist in vielen Fällen eine Belagsbildung in der Düse oder am Düsenmund durch das Ausfällen gelöster Feststoffe festzustellen. Dies trifft vor allem auf jene Fälle zu, bei denen ein heißes Fluid als Zerstäubungshilfsmittel eingesetzt wird und wenn es dadurch zur Aufheizung der Wände kommt, die mit Brauchwasser in Kontakt stehen. Daher soll durch die Begrenzung des Wärmeüberganges innerhalb der Düse nach der Erfindung auch das Problem der Belagsbildung in der Düse gelöst werden.
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In einer Basiskonfiguration gemäß der Erfindung wird die Aufgabenstellung, vorzeitige Enthalpieverluste des Zerstäubungshilfsmittels durch Wärmeübergang an die zu zerstäubende Flüssigkeit weitgehend zu unterbinden und der Belagsbildung in der Düse durch temperaturabhängige Ausfällung der bei niedrigerer Temperatur gelösten Inhaltsstoffe der Flüssigkeit vorzubeugen, auf folgende Weise gelöst, 3: Der über die Dampfzuleitung der Düse N (nozzle) zugeführte Dampfstrom V (vapor) wird in zwei Teilströme zerlegt, in einen äußeren Teilstrom Vex und einen zentralen Teilstrom V. Der äußere Teilstrom Vex wird über eine äußere Dampf-Ringspaltdüse VNSex ausgeblasen, während der zentrale Teilstrom Dc über die Dampf-Zentraldüse VNc austritt. Zwischen der Zentraldüse VNc und der äußeren Ringspaltdüse VNSex ist eine Ringspaltdüse WN für den Ausstoß des zu zerstäubenden Wassers W angeordnet. Ein charakteristisches Merkmal ist bei dieser Düse insbesondere, dass das zu zerstäubende Wasser nicht über eine Zentraldüse ausgestoßen wird, sondern über einen Ringspalt. Dieser Ringspalt kann relativ groß bemessen werden, weil hier eine hohe Austrittsgeschwindigkeit der Flüssigkeit nicht erforderlich ist. Die Zerstäubung erfolgt ja in diesem Falle dadurch, dass der Flüssigkeitsfilm zwischen zwei Hochgeschwindigkeits-Dampfströmungen eingebracht wird. Durch die Schubspannungswirkung dieser Hochgeschwindigkeits-Strömungen wird der Film zu einer dünnen Flüssigkeitslamelle ausgezogen, die in kleine Tropfen zerfällt. Somit ist auch das Risiko eines Materialabtrages an den Ringspaltwandungen der Flüssigkeitsdüse stark reduziert und die Langzeitstabilität der Durchflusscharakteristik einer derartigen Düse stellt insofern kein Problem dar. Eine derartige Düse verfügt jedoch auch über ein sehr gutes Teillastverhalten, ganz im Gegensatz zu Düsen nach dem Stand der Technik mit Drallerzeuger in der Flüssigkeitsführung.
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Die Dampf-Zentraldüse ist gemäß 3 in Strömungsrichtung als konvergent-divergent – Düse ausgeführt. Wenn der Dampf mit einem überkritischen Druckverhältnis angeliefert wird, arbeitet diese Konfiguration als Lavaldüse und der Dampf tritt dann mit Überschallgeschwindigkeit aus der Zentraldüse aus.
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Wichtig ist aber auch, dass diese Düse keine von Brauchwasser umspülte große Endfläche, wie z. B. die Endfläche eines Zentralkegels gemäß 1 aufweist. Somit tritt hier auch nicht das Problem der Bildung stalaktitenförmiger Beläge auf, wie dies durch Wärmeübergang auf den zentralen Brauchwasserstrom bei Düsen nachdem Stand der Technik zu beobachten ist.
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Weitere Merkmale der Düse nach der Erfindung betreffen die thermische Entkopplung des Heißen Zerstäubungshilfsmittels Dampf vom kalten Wasser am Düsenanschluss und im Inneren der Düse. Zu diesem Zweck ist die Zuführungsleitung für das Wasser doppelwandig ausgeführt. Ferner sind die Durchtrittsbohrungen im sogenannten Verteiler, über welche das Wasser dem Ringspalt und der Dampf der Zentraldüse bzw. dem äußeren Ringspalt zugeführt wird, in einem größtmöglichen Abstand voneinander angeordnet. In die Bohrungen für die Zufuhr des Wassers zur den Austrittspartie der Düse werden Innenröhrchen eingesetzt, die an der Außenseite derart hinterdreht, dass nur in schmalen Abschnitten ein die Röhrchen zentrierender Wandkontakt besteht. Hierdurch wird zwischen dem wasserführenden Innenrohr und dem Verteiler ein mit Luft gefüllter Hohlraum erzeugt, der als thermische Isolation dient. Ferner wird auch der Außenmantel der Zentraldüse sowie der Innenmantel der Zwischendüse mit einer thermisch isolierenden Schicht belegt, sodass die zu zerstäubende Flüssigkeit praktisch auf ihrer gesamten Passage durch die Düse bis in unmittelbare Nähe zum Düsenmund mit einer thermischen Isolation gegen den Verteiler und somit auch gegen die Heißdampfströmung ausgestattet ist. Auf diese Weise wird erreicht, dass sich die Flüssigkeit nur geringfügig erwärmt, bzw. dass der Heißdampf nur geringe Enthalpieverluste durch Abkühlung erleidet.
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Selbstverständlich besteht die Möglichkeit, auch auf der mit Dampf beaufschlagten Seite der Düse eine Wärmeisolation aufzubringen. Dies dürfte jedoch in aller Regel unverhältnismäßig aufwendiger sein, weil die mit dem Dampf in Berührung stehenden Oberfläche wesentlich größer ist, als dies auf der Wasserseite der Fall ist.
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Eine weitere interessante Möglichkeit besteht darin, einen Werkstoff mit geringer Wärmeleitung einzusetzen, der andererseits für die vorgegebenen Betriebstemperaturen von z. B. 300°C geeignet ist. Bereits der Übergang von Messing auf einen hochlegierten Edelstahl führt zu einer Verringerung der Wärmeleitung um den Faktor 8.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Austrittsgalt für die zu zerstäubende Flüssigkeit gegenüber dem Düsenmund zurückgesetzt ist. Somit entsteht bereits innerhalb der Düse, wenn auch nahe am Düsenmund, eine freie Flüssigkeitslamelle, die nicht mehr durch Wandreibung abgebremst sondern durch die flankierenden Hochgeschwindigkeitsströme aus Zerstäubungshilfsmittel stark beschleunigt wird. Dies bereits innerhalb der Düse umzusetzen bietet den Vorteil, dass hier die Ströme des Zerstäubungshilfsmittels noch nicht seitlich ausweichen können, wie dies nach dem Verlassen der Düse der Fall ist. Auf diese Weise wird eine noch feinere Zerstäubung der Flüssigkeit bewirkt. Der Rücksprung des Austritts der Flüssigkeitsdüse gegenüber der Position des Düsenmundes beträgt vorteilhafterweise das 1–10-fache der Breite des Flüssigkeitsringspalts an der Düsenmündung.
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In einer Ausgestaltung gemäß der Erfindung, 4, ist ein Zentralkegel vorgesehen, sodass auch der Zentraldampf über einen Ringspalt ausströmt. In diesem Falle ist der Zentralkegel nur von Dampf umströmt, der weitestgehend Feststofffrei ist, sodass kein relevantes Belagsbildungsrisiko am Zentralkegel besteht. Durch diesen Zentralkegel kann der Dampfverbrauch der Düse noch etwas gesenkt werden, ohne dass dies negative Auswirkungen auf die Zerstäubungsqualität haben müsste. Auch bei der Düse mit Zentralkegel kann die Austrittspartie im Bereich des Austrittskegels gemäß der Erfindung als Lavaldüse ausgeführt werden. Dazu muss der Strömungsquerschnitt des inneren Ringspalts zwischen Zentralkegel und der Austrittspartie der Zentgraldüse zum Düsenmund hin einen divergenten Verlauf aufweisen.
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Figuren
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1 zeigt eine außenmischende Zweistoffdüse nach dem Stand der Technik mit zentraler Wasserzufuhr sowie mit einem zentralen Prallkegel.
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2 zeigt eine außenmischende Zweistoffdüse nach dem Stand der Technik mit zentraler Wasserzufuhr sowie mit einem Drallerzeuger in der Wasserführung innerhalb der Düse.
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3 zeigt eine außenmischende Zweistoffdüse nach der Erfindung mit zentraler Dampfzufuhr.
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4 zeigt eine außenmischende Zweistoffdüse nach der Erfindung mit zentraler Dampfzufuhr sowie mit einem zentralen Körper, der nur von Dampf umströmt ist.
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1 zeigt eine außenmischende Zweistoffdüse 1 mit der Düsenhauptachse 50 gemäß dem Stand der Technik, die in einem das primäre Fluid 2 führenden Kanal oder Behälter 3 angeordnet ist. Über die Leitung 4 wird die zu zerstäubende Flüssigkeit 5 dem Zentralbereich 6 zugeführt. Hier ist zum ringspaltförmigen Flüssigkeitsaustritt 7 aus der Düse 1 hin ein Zentralkegel 8 angeordnet. Dadurch wird die Flüssigkeit in einen Sprühkegel 9 aufgespalten. Das Zerstäubungshilfsmittel 10 wird über die Rohrleitung 11 der Düse zugeführt. Über den Verteilerraum 12, welcher die Zentraldüse für das Wasser ringförmig umschließt, erreicht das Zerstäubungshilfsmittel den Ringspalt 13, aus welchem es mit hoher Geschwindigkeit 14 austritt. In dieses Figur ist auch ein stalaktitenförmiger Belag 45 dargestellt, auf dem sich ein Flüssigkeitsfilm 46 aus abgeschiedenen Tropfen gebildet hat, der zum Belagsende 47 fließt und sich dort in Gestalt großer Sekundärtropfen 48 ablöst.
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2 zeigt ebenfalls eine außenmischende Zweistoffdüse 1 gemäß dem Stand der Technik, die in einem das primäre Fluid 2 führenden Kanal oder Behälter 3 angeordnet ist. Dr einzige charakteristische Unterschied zu der in 1 dargestellten Düse besteht darin, dass hier auf den Zentralkegel verzichtet wird. Somit ist auch das Risiko der Bildung stalaktitenförmiger Beläge an einem derartigen Kegel eliminiert. Die Wirkung des Kegels wird hier bis zu einem gewissen Grade durch jene eines Drallerzeugers 15 ersetzt. Allerdings ist das Teillastverhalten derartiger Düsen meist unbefriedigend, weil die Drallintensität zu kleinen Flüssigkeitsdurchsätzen hin stark einbricht.
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Die 3a und 3b als Detailvergrößerung von 3a zeigen eine Düse 16 nach der Erfindung. Auch diese Düse 16 ist in einem das primäre Fluid 2 führenden Kanal 3 angeordnet. Die zu zerstäubende Flüssigkeit 5 wird über die Rohrleitung 4 und einem zentralen Anschluss 17 dem Verteiler 18 der Düse zugeführt. Über wenigstens eine Bohrung 19 gelangt die Flüssigkeit in einen ringförmigen Raum 20 der nach innen durch die Zentraldüse 27 und nach außen durch die Zwischenhaube 34 begrenzt ist, und von hier aus auf kürzestem Wege zum ringspaltförmigen Flüssigkeitsaustritt 21. Das Zerstäubungshilfsmittel, z. B. Heißdampf 10, wird über die Rohrleitung 11 zunächst einem Ringraum 23 zugeführt. Von hier aus gelangt es über wenigstens eine Ausfräsung 24 und über wenigstens eine Bohrung 25 zu einem bestimmten Anteil in einen Zentralraum 26. Hier ist eine austauschbare Zentraldüse 27 für den Zentraldampfstrahl 28 eingeschraubt, die zunächst konvergent und dann, wie bei Lavaldüsen üblich, divergent verläuft und deren Querschnittsabmessungen für die Aufteilung des Dampfstroms auf die Zentraldüse 27 bzw. auf den äußeren Ringspalt 29 mitverantwortlich sind. Der äußere Dampfstrom, auch Ringspaltdampfstrom 30 genannt, wird über die Ausfräsung 24 zunächst dem Ringraum 31 zugeführt und gelangt von hier aus in den sogenannten äußeren Ringspalt 29. Der Dampf tritt demnach sowohl aus der Zentraldüse 28 als auch aus der äußeren Ringspaltdüse 29 zwischen der Außenhaube 49 und der Zwischenhaube 34 mit hoher Geschwindigkeit bis hin zu hohen Überschallgeschwindigkeiten aus, wie durch die Pfeile 32 und 33 in 3b veranschaulicht wird. Durch die Wechselwirkung zwischen dem ringförmigen Flüssigkeitsstrahl bei 21 und den flankierenden Dampfstrahlen 32 und 33 entsteht der Tropfensprühstrahl mit der Berandung 22.
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In vielen Fällen dürfte die vorstehend beschriebene Konfiguration bereits eine ausreichende thermische Entkopplung von Heißdampf 10 als Zerstäubungshilfsmittel und der zu zerstäubenden kalten Flüssigkeit 5 bewirken. Dennoch in einer Ausgestaltung gemäß der Erfindung vorgesehen, die Wasserführung innerhalb der Düse bis hin zum Verteiler 18 mit einem Innenrohr 37 und somit doppelwandig und mit einem thermisch isolierenden Luftzwischenraum 44 oder auch mit einer Graphitbüchse auszuführen. Ferner ist auch die wenigstens eine Bohrung 19 für die Zufuhr des Wassers zum Ringraum 20 doppelwandig mit einem Innenrohr 38 ausgeführt. In einer weiteren Ausgestaltung ist der wasserführende Ringraum 20 zur Zentraldüse 27 wie auch zur Zwischenhaube 34 hin durch eine Schicht aus geeignetem Material thermisch isoliert. Die Isolationsschicht zur Zentraldüse hin wird mit 35 und jene zur Zwischenhaube hin mit 36 beziffert. In einer weiteren Optimierung ist der Boden 39 des Wasseranschlusses zur Düse mit einer aus einem geeigneten Material gefertigten Scheibe 40 thermisch isoliert. In welchem Umfange die vorstehend beschriebenen Maßnahmen ergriffen werden, hängt von den Betriebsbedingungen der Düse ab.
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4 zeigt eine weitere Ausgestaltung gemäß der Erfindung. Hier ist in den Verteiler 18 ein zylindrischer Zentralkörper 41 eingeschraubt, der vollständig von Dampf umströmt ist und der sich zum Austritt hin zu einem Kegel 42 erweitert, sodass ein innerer Ringspalt 43 für den Austritt des über die Bohrung 25 zugeführten Kernanteils des Zerstäubungshilfsmittels 10 entsteht.
