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Vorrichtung zum Mischen von unter hohem Druck stehenden Flüssigkeiten
Die Erfindung betrifft einen Mischkessel und insbesondere einen solchen Kessel,
in dem zwei Hochdruckflüssigkeiten mit wesentlich verschiedenen Temperaturen gemischt
werden können.
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Bei manchen Anwendungsbereichen, z. B. bei Dampfkesseln, müssen sehr
oft zwei Flüssigkeiten verschiedener Temperaturen gemischt werden. Wenn diese Flüssigkeiten
unter extrem hohen Drücken stehen und außerdem hohe Temperaturen besitzen, tritt
das Problem von thermischen Spannungen auf.
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Außerdem besteht das Problem von Schwingungen oder Vibrationen innerhalb
des Kessels, die durch den Hochdruckbetrieb erzeugt werden können. Es ist ein Mischkessel
bekannt, bei dem an ein kugelförmiges Gehäuse zwei Leitungen für die Flüssigkeiten
verschiedener Temperatur angesetzt sind. Dabei wird die eine Flüssigkeit in Form
radialer Strahlen mit einem in der Kugel angebrachten Verteiler in eine umgebende
becherförmige Strömung der zweiten Flüssigkeit geleitet. Diese Ausführung hat den
Nachteil, daß Schwingungen des Verteilers und der Kugelkammer nicht vollständig
vermieden werden und der Verteiler zudem noch viel Platz beansprucht.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Nachteile des bekannten
Mischkessels zu vermeiden.
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Dies geschieht dadurch, daß die Auslaßleitung der Einlaßleitung,
für die eine Flüssigkeit diametral gegenüberliegend auf gleicher Achse angeordnet
ist, und daß mehrere Einlaßleitungen für die andere Flüssigkeit in einer gemeinsamen
Ebene mit gleicher Entfernung voneinander in das Gehäuse einmünden, und zwar entweder
radial oder tangential an einen imaginären Zylinder gerichtet, dessen Achse mit
der durch die eine Einlaß- und Auslaßleitung bestimmten Achse des kugelförmigen
Gehäuses zusammenfällt.
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Bei der Ausführung nach der Erfindung ergibt sich nicht nur der Vorteil,
daß Schwingungen und thermische Spannungen der Mischkammer vollständig vermieden
werden, sondern auch Kammern vergleichbaren Durchsatzes viel kleiner als nach der
bekannten Ausführung gebaut werden können. Da der Verteiler der bekannten Ausführung
wegfällt, wird die Konstruktion der Kammer einfacher und der für den Mischvorgang
verfügbare Raum größer.
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Zum besseren Verständnis wird die Erfindung an Hand von Zeichnungen
beschrieben. In den Zeichnungen zeigt F i g. 1 einen senkrechten Schnitt durch den
Mischkessel längs Linie 1-1 der F i g. 2, F i g. 2 einen Schnitt längs Linie 2-2
der F i g. 1, F i g. 3 einen senkrechten Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel
des Mischkessels längs Linie 3-3derFig.4, F i g. 4 einen Schnitt längs Linie 4-4
der F i g. 3.
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In F i g. 1 ist der kugelförmige Kessel 10 zum Mischen zweier Hochdruckflüssigkeiten
mit wesentlich verschiedenen Temperaturen dargestellt. Die Einlaßleitung 12 ist
so mit dem Kessel verbunden, daß die heißere der beiden Flüssigkeiten längs der
senkrechten Achse des Kessels eingeführt wird. Diese Darstellung dient nur der besseren
Übersichtlichkeit der Zeichnungen. Eine Vorzugsrichtung der Orientierung des Kessels
spielt wegen der vernachlässigbaren Wirkung der Schwerkraft keine Rolle. Auch kann
natürlich die kältere Flüssigkeit in die Einlaßleitung 12 eingespeist werden. Die
Mischwirkung ist dieselbe.
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Drei im gleichen Abstand voneinander angeordnete Einlaßleitungen 14,
16 und 18 (F i g. 2) sind mit dem Kessel in radialer Richtung verbunden. Sie führen
die kältere Flüssigkeit auf das Kesselzentrum gerichtet ein. Die Mischung der kälteren
Flüssigkeit aus den Leitungen 14, 16 und 18 mit der heißeren Flüssigkeit aus der
Leitung 12 wird über die Auslaßleitung 20 abgeführt, die der Einlaßleitung 12 diametral
gegenüber angeordnet ist.
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Führen die Flüssigkeiten Verunreinigungen mit sich, ist an die Auslaßleitung
20 ein Sieb 22 mit Öffnungen 23 vorgesehen. Dieses Sieb verhindert, daß
irgendwelche
Fremdkörper von der Flüssigkeit in eine Pumpe oder eine andere Vorrichtung, die
in der Gemischauslaßleitung liegen, hineingetragen werden.
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Der Strömungsquerschnitt der Öffnungen 23 ist wenigstens so groß wie
der Strömungsquerschnitt der Auslaßleitung 20, so daß kein zusätzlicher Druckabfall
auftritt. Dies kann dadurch erreicht werden, daß Offnungen 23 auch in den Seitenwänden
des Siebes 22 angeordnet werden.
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Alle Ein- und Auslaßleitungen besitzen eine dickwandige Hülse 24,
die bei 25 mit dem Kessel verschweißt ist. Jede Leitung ist auch mit einer inneren
Hülse 26 versehen, die etwas über der Innenfläche des Kessels hervorsteht. Der ringförmige
Raum 22, zwischen den beiden Hülsen, füllt sich während des Betriebs mit Totwasser
und bildet so eine thermische Schranke zum Schutz des Kessels und der Flüssigkeitsleitungen
gegen thermische Spannungen.
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Wie am besten aus F i g. 1 ersichtlich, ist jede Ein-und Auslaßleitung
in radialer Richtung mit dem Kessel verbunden. Dadurch wird die größtmögliche Festigkeit
der Kesselwand erzielt.
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Das Strömungsbild der heißen und kalten Flüssigkeit wird durch die
ausgezogenen und gestrichelten Linien in den Fig. 1 und 2 dargestellt. Die ausgezogenen
Linien stellen die Stromfäden dar, die von den verschiedenen Einlaßleitungen ausgehen.
Die gestrichelten Linien zeigen die Stromfäden nach Auftreffen aller Flüssigkeitsströme
im Zentrum des Mischkessels.
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Wie in F i g. 1 dargestellt, wird die Strömung nach dem Erreichen
des Zentrums des Kessels nach unten und seitlich von ihm abgelenkt. Einige dieser
Stromfäden prallen dann der Auslaßleitung 20 benachbart auf die Kesselwände und
werden erneut aufwärts gerichtet. Abhängig von der anfänglichen Strömungsgeschwindigkeit
bewegen sich die aufwärts gerichteten Stromfäden nach oben entlang der geneigten
Fläche des kugelförmigen Gehäuses, bis sie auf die heiße, von der Einlaßleitung
12 stammende Strömung aufprallen.
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Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß die Flüssigkeitsströme nach dem Zusammenlaufen
im Zentrum des Kessels nicht nur nach unten, sondern außerdem nach außen in horizontaler
Richtung abgelenkt werden.
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Diese Ströme bewegen sich so lange nach außen, bis sie auf die Kesselwände
treffen, die sie erneut zum Zentrum des Kessels leiten. Zu diesem Zeitpunkt sollte
die anfängliche Geschwindigkeit der einlaufenden Flüssigkeitsströme fast vollständig
vernichtet sein, und die Flüssigkeit bewegt sich abwärts zur Auslaßleitung 20.
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In F i g. 3 ist der kugelförmige Mischkessel mit 120 bezeichnet.
Mit der Kugel sind 3 Einlaßleitungen 122, 124 und 126 verbunden. Wie in Fig. 4 dargestellt,
sind diese 3 Einlaßleitungen äquidistant angeordnet.
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Eine erste Flüssigkeit bestimmter Temperatur wird durch sie in die
Kugel eingespeist.
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Wie aus Fig. 3 ersichtlich, ist eine vierte Einlaßleitung 128 mit
dem oberen Pol der Kugel verbunden, durch die eine zweite Flüssigkeit anderer Temperatur
eingespeist wird.
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Der Einlaßleitung 128 ist eine Auslaßleitung 130 diametral gegenüber
angeordnet. Die Mischung wird über diese Leitung aus dem Kessel abgeführt. Ein Sieb
134 mit Öffnungen 132 ist über ihrer Öffnung angeordnet.
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Jede Einlaßleitung und die Auslaßleitung bestehen aus einem starkwandigen
äußeren Wandteil 136, der
an dem Kesselgehäuse bei 138 angeschweißt ist, und aus
einem inneren, dünnwandigen, hülsenförmigen Teil 140, der dem an Hand der F i g.
1 und 2 beschriebenen entspricht.
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Wie aus F i g. 3 ersichtlich, wird die durch die Leitungen 122, 124
und 126 eingespeiste Flüssigkeit nach oben gerichtet eingespritzt, so daß sie auf
die Wand des oberen Teils des Kessels trifft. Wie in Fig. 4 dargestellt, werden
diese Flüssigkeitsströme nicht nur nach oben, sondern ebenfalls auf den Rand eines
imaginären Zylinders gerichtet, dessen Achse mit der vertikalen Achse des Mischkessels
zusammenfällt. Wie durch die gestrichelten Linien in Fig. 4 dargestellt, erzeugt
diese tangentiale Einführung eine rotierende linksdrehende Strömung in dem Mischkessel.
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Die aus den Leitungen 122, 124 und 126 austretenden, tangentialen
Ströme überschneiden einen Teil des von der Leitung 128 abwärts abgeführten Flüssigkeitsstromes.
Auf diese Weise werden die zwei Flüssigkeiten innig gemischt, bevor sie die Auslaßleitung
130 erreichen. Außerdem steht die gesamte Innenfläche des Mischkessels mit einer
Flüssigkeit gleichmäßiger Temperatur in Berührung.
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Mit wachsendem Durchmesser des imaginären Zylinders, gegen den die
Ströme tangential gerichtet sind, wird die hergestellte Strömung immer stabiler.
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Jedoch wird dann auch die Mischwirkung kleiner.
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Daher ist es günstig, den Durchmesser des imaginären Zylinders so
zu wählen, daß ein solches Strömung bild entsteht, bei dem die Strömung aus der
Leitung 128 ausreichend überschritten wird. Dies wird dadurch erreicht, daß der
Durchmesser des imaginären Zylinders annähernd gleich dem der Einlaßleitung 128
ist.
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Auf diese Weise steht im wesentlichen die gesamte Innenfläche der
Kugel mit der Mischung in Berührung, so daß die thermischen Spannungen in den Kesselwänden
minimal gehalten werden.
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Durch die Verwendung dreier Einlaßleitungen für die kältere Flüssigkeit
ist es möglich, diese Leitungen äquidistant anzuordnen, ohne daß zwei Ströme diametral
gegeneinander gerichtet werden. Dies würde nämlich in einer Vernichtung beinahe
der ganzen Stromgeschwindigkeit resultieren, wenn sich die Ströme im Kesselzentrum
treffen und außerdem veränderliche Strömungsbilder im Kessel hervorrufen, die nachteilig
sind.
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Der Mischkessel nach der Erfindung hat einen großen Anwendungsbereich.
Ein Anwendungsbeispiel sind Dampferzeuger, bei denen eine heißere und kältere Flüssigkeit
gemischt werden müssen und die entstehende Mischung zu Wärmeaustauscherflächen zur
weiteren Erhitzung abgepumpt wird. Bei solchen Einrichtungen liegen die Flüssigkeitsdrucke
oft im.
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Bereich von 245 bis 350 kg/cm2. Die heiße Flüssigkeit kann eine Temperatur
von annähernd4260 C, die kältere eine von annähernd 2040 C haben. Die Temperatur
beider Flüssigkeiten kann zeitlich beträchtlich variieren. Deshalb muß der Kessel
für extrem hohe Drücke ausgelegt sein, und die thermischen Spannungen müssen minimal
gehalten werden. Dies geschieht bei dem Mischkessel nach der Erfindung.