DE19502539C2 - Dampfinjektor - Google Patents
DampfinjektorInfo
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Description
Zum Erwärmen von Flüssigkeiten, wie beispielsweise
Wasser, wird häufig ein dampfförmiger Wärmeträger in die
betreffende Flüssigkeit eingeleitet, wobei es zu einem
direkten Kontakt zwischen dem Wärmeträger und der Flüs
sigkeit kommt. Dies ist bspw. bei der Heißwasserbereitung
oder bei der Erzeugung von Warmwasser zu Heizzwecken
mittels Dampfes der Fall. Der dampfförmige Wärmeträger
vermischt sich dabei mit der zu erwärmenden Flüssigkeit,
wobei er kondensiert. Es kann bei diesem Verfahren dazu
kommen, daß der in die Flüssigkeit eingeleitete dampf
förmige Wärmeträger schlagartig kondensierende Blasen
bildet. Dabei können regelrechte Implosionserscheinungen,
sogenannte Dampfschläge auftreten, die die zum Einleiten
des dampfförmigen Wärmeträgers in die Flüssigkeit ver
wendeten Apparaturen besonderen Belastungen unterwerfen.
Solche Belastungen können beispielsweise zu Leitungsbrü
chen führen.
Aus der DE-OS 23 46 112 ist eine regelbare Strahlpum
pe bekannt, mittels derer zwei Fluide miteinander ver
mischt werden können. Die Strahlpumpe weist einen in einem
Gehäuse angeordneten Treibstromkanal auf, der in einer
kreisförmigen Treibdüsenöffnung mündet. Mittig in der
Treibdüsenöffnung ist ein über eine Stange betätigbarer
Einstellkegel angeordnet, mittels dessen der wirksame
Querschnitt der Treibdüsenöffnung variiert werden kann.
Der Treibdüsenöffnung gegenüberliegend ist eine Fangdüse
angeordnet, die einen sich von der Treibdüse weg erstrec
kenden Bereich konstanten Querschnitts und einen sich
daran anschließenden Bereich mit sich erweiterndem Strö
mungsquerschnitt aufweist. Zwischen der Fangdüse und der
Treibstromdüse ist ein ringförmiger Saugspalt vorgesehen,
der mit einem Sauganschluß in Fluidverbindung steht. Das
aus der Treibmitteldüse austretende Treibmittel bildet
einen Strahl mit kreisförmigem Querschnitt, der sich in
der Fangdüse allmählich aufweitet. Das durch den ringför
migen Saugspalt zuströmende Fluid legt sich als hohlkegel
förmiger Mantel um den Treibmittelstrahl und wird von
diesem mitgenommen.
Eine prinzipiell gleiche Strahlpumpe ist aus der DE
23 42 841 bekannt. Auch diese Strahlpumpe weist eine
rohrförmige Fangdüse mit sich daran anschließendem trich
terförmigen Diffusor auf.
Bei der Verwendung einer derartigen regelbaren
Strahlpumpe zum Mischen von Dampf mit Wasser kann es zu
einer lediglich groben Mischung und in der Folge zu Kon
densatschlägen kommen.
Aus der DE-PS 9 24 122 ist eine Injektorpumpe bekannt,
die Dampf als Treibmittel nutzt. Die Pumpe weist ein
langgestrecktes rohrförmiges Gehäuse auf, dessen Quer
schnitt sich mit der Länge des Gehäuses erweitert. An
seinem engen Ende ist das Gehäuse mit einem Treibdampf
anschluß versehen, der zu einer Treibmitteldüse führt. Der
Treibdampfdüse benachbart ist an dem Gehäuse ein Saug
stutzen ausgebildet, der in einen die Treibdüse umgebenden
Ringraum mündet. Das Gehäuse definiert im Anschluß an die
Treibdüse einen Diffusor, der von einem sich bis in die
Treibdüse erstreckenden Dorn durchgriffen ist.
Der Dorn ist längsverstellbar gehalten und dient der
Anpassung der Pumpe an unterschiedliche Betriebszustände.
Aus der DE-PS 59 277 ist ein Injektor bekannt, dessen
Treibmitteldüse von einer Ventilspindel zur Regulierung der
durchtretenden Dampfmenge durchgriffen ist. Die Treib
mitteldüse ist sich konisch verengend ausgebildet, während
die Ventilspindel einen in Stufen abgesetzten Durchmesser
aufweist.
Durch den abgesetzten Durchmesser soll die Ausbildung
eines hohlen Dampfstrahles zur Minderung des Dampfver
brauches bewirkt werden.
Die DE-PS 4 07 692 offenbart eine Strahlpumpe, in deren
im wesentlichen rohrförmige Treibdüse ein Konus eingesetzt
ist, der die Treibdüse verengt und der einen sich über die
Treibdüse hinaus erstreckenden Fortsatz aufweist. Der
Fortsatz durchragt dabei einen sich konisch erweiternden
Diffusorabschnitt, so daß ein sich erweiternder Strömungs
querschnitt ausgebildet ist. Mit dem Konus soll erreicht
werden, daß bei gleichem Gegendruck immer dasselbe Mi
schungsverhältnis zwischen Treibmittel und angesaugtem Gas
erreicht wird.
Außerdem ist aus der DE 23 32 582 A1 eine Strahlpumpe
zum Fördern und Dosieren von Flüssigkeiten und Gasen
bekannt. Die Strahlpumpe weist einen Rohrabschnitt auf,
der eine düsenartige ausgebildete Engstelle enthält. In
Durchströmungsrichtung auf die Engstelle folgend ist in
dem Rohrabschnitt ein Strömungskörper gehalten, der mit
dem Rohrabschnitt einen Ringspalt definiert. Unmittelbar
auf die Engstelle folgend sind an dem Strömungskörper
Austrittsöffnungen vorgesehen, die zu einer Saugleitung
führen. Im Anschluß an den Ringspalt verjüngt sich der
Strömungskörper.
Der Leitkörper bewirkt einen Druckanstieg unmittelbar
im Anschluß an die Austrittsöffnungen durch Verlangsamung
der Strömung.
Zur Einleitung von Dampf in Wasser zur Erwärmung
desselben ist diese Strahlpumpe nicht vorgesehen.
Davon ausgehend ist es eine Aufgabe der Erfindung,
einen Injektor zum Einleiten eines dampfförmigen Wärmeträ
gers in eine zu erwärmende Flüssigkeit zu schaffen, mit
dem die Mischung des Wärmeträgers mit der zu erwärmenden
Flüssigkeit und die anschließende Kondensation des Wärme
trägers ohne Kollabieren von Dampfblasen gestattet. Ins
besondere soll dies im Teillastbereich ermöglicht werden.
Darüberhinaus ist es Aufgabe der Erfindung einen regel
baren Injektor mit den oben genannten Eigenschaften zu
schaffen.
Der Injektor weist eine Mischkammer mit einem ring
förmigen Abschnitt auf, in dem eine Vermischung des dampf
förmigen Wärmeträgers mit der Flüssigkeit stattfindet und
der dampfförmige Wärmeträger kondensiert. Der Durchmesser
der sich bildenden Dampfblasen kann dabei die radiale
Ausdehnung der ringspaltförmigen Mischkammer nicht über
steigen, so daß auch die Größe der von den implodierenden
Blasen ausgehenden Druckstöße begrenzt ist. Damit ist die
Voraussetzung für eine ruhige Kondensation des dampfförmi
gen Wärmeträgers ohne Klopferscheinungen gegeben.
Durch die Ringdüse wird der dampfförmige Wärmeträger
axial in die Mischkammer eingelassen, wobei er im Bereiche
vor der Austrittsöffnung einen Sog erzeugt. Der Dampf
passiert, unmittelbar nachdem er die Ringdüse verlassen
hat, wenigstens eine Einströmöffnung, die vorzugsweise als
ringförmige, koaxial zu der Ringdüse angeordnete Öffnung
mit radialer Öffnungsrichtung ausgebildet ist. Dabei saugt
der Dampf aus der Einströmöffnung die zu erwärmende Flüs
sigkeit an und vermischt sich mit dieser intensiv. Es hat
sich herausgestellt, daß durch die Anordnung der Einström
öffnung in unmittelbarer Nähe zu der Ringdüse eine gute
Durchmischung des dampfförmigen Wärmeträgers mit der zu
erwärmenden Flüssigkeit erreicht wird. Es werden insbeson
dere gute Ergebnisse erzielt, wenn zwischen der von der
Ringdüse definierten Dampfströmungsrichtung und der von
der Einströmöffnung definierten Einströmrichtung ein im
wesentlichen rechter Winkel eingeschlossen wird. Dies ist
der Fall, wenn die Ringdüse eine im wesentlichen axiale
Öffnungsrichtung und die Einströmöffnung eine im wesentli
chen radiale Öffnungsrichtung aufweist.
Die Mischkammerabschnitt ist ringspaltförmig ausge
bildet. Dies führt, wenn der Ringspalt relativ eng ist und
eine, seinen Außendurchmesser übersteigende Länge auf
weist, zu einer ruhigen Kondensation und einer guten
Regelbarkeit. Selbst bei hoher Strömungsgeschwindigkeit
ist hier genügend Wegstrecke und damit genügend Zeit für
eine ausreichende, das heißt vollständige Kondensation des
dampfförmigen Wärmeträgers in dem ringförmig ausgebildeten
Abschnitt der Mischkammer vorhanden.
Eine ruhige Kondensation wird ergibt sich insbesonde
re, wenn die radiale Dicke des ringförmigen Abschnittes
beträchtlich kleiner, also bspw. kleiner als ein Fünftel
des Innendurchmesser der Innenwandung ist.
Im Anschluß an den Mischbereich kann ein Nabendiffu
sor angeordnet werden, der die Strömung verzögert. Dazu
können die Innenwandung und die Außenwandung der Misch
kammer einen sich wenigstens abschnittsweise von der
Ringdüse weg erweiternden Strömungsquerschnitt definieren,
wodurch über die Länge der Mischkammer ein Geschwindig
keitsprofil erzeugt wird. Insbesondere wird im Bereiche
mit hohen Durchströmungsgeschwindigkeiten ein Sog erzeugt,
der zum Ansaugen der zu erwärmenden Flüssigkeit genutzt
werden kann.
Der eigentliche Mischbereich wird durch einen Ab
schnitt der Mischkammer gebildet, dessen Außenwandung von
einem rohrförmigen Teil und dessen Innenwandung durch
einen Leitkörper gebildet ist. Dieser, vorzugsweise rota
tionssymmetrisch ausgebildete Leitkörper kann einen zylin
drischen Abschnitt aufweisen, der mit der Außenwandung
einen hohlzylindrischen Abschnitt der Mischkammer be
grenzt. In diesem eigentlichen Mischbereich ist der Strö
mungsquerschnitt konstant, wobei infolge der Kondensation
des mit der Flüssigkeit vermischten dampfförmigen Wärme
trägers die Strömungsgeschwindigkeit über die Länge der
Mischkammer abnehmen kann. Jedoch werden übermäßige Druck
änderungen, insbesondere plötzliche Druckanstiege ver
mieden, so daß die von der Flüssigkeit umschlossenen
Blasen des dampfförmigen Wärmeträgers nur geringe Implo
sionsneigung zeigen.
Wenn die Ringdüse eine gegen ihren Außendurchmesser
geringe Spaltweite aufweist, wird ein besonders dünnwandi
ger hohlzylindrischer oder leicht hohlkegelförmiger Dampf
strom ausgebildet. Infolge seiner geringen Dicke weist der
damit nahezu flächig geformte Dampfstrom von vorne herein
eine sehr geringe Neigung auf, nach dem Vermischen mit der
Flüssigkeit größere Dampfblasen zu bilden.
Eine im wesentlichen axiale Dampfströmungsrichtung
wird erreicht, wenn der Außendurchmesser der Ringdüse mit
dem Innendurchmesser der Außenwandung der Mischkammer im
wesentlichen übereinstimmt.
Eine sehr wirkungsvolle und eine konstante hohe
Strömungsgeschwindigkeit des in die Flüssigkeit zu inji
zierenden dampfförmigen Wärmeträgers wird erreicht, wenn
die Ringdüse zur Regelung des Injektors in ihrem Strö
mungsquerschnitt veränderbar ausgelegt ist. Dies kann auf
einfache Weise erreicht werden, indem die Ringdüse als
Ringspalt zwischen dem Leitkörper und einer in der Misch
kammer vorgesehenen Axialbohrung begrenzt ist. Wenn der
Leitkörper axial verschiebbar gehalten und im Bereich der
Ringdüse konisch ausgebildet ist, verändert sich der
Düsenquerschnitt bei einer axialen Verschiebung des Leit
körpers. Der außerdem zwischen der äußeren rohrförmigen
Mischkammer und dem zylindrischen Abschnitt des Leitkör
pers definierte hohlzylindrische Abschnitt der Mischkammer
wird davon in seiner Geometrie im wesentlichen nicht
betroffen, wodurch auch bei Teillast, das heißt bei gerin
gerer injizierter Dampfmenge, die Kondensation des Dampfes
ruhig und ohne wesentliche, zu Implosionen führende Dampf
ansammlungen stattfindet. Die Regelung des Injektors
hinsichtlich seiner Leistung erfolgt somit durch eine
Veränderung der Schichtdicke des injizierten Dampfes.
Eine weitere Möglichkeit für den Teillastbetrieb des
Injektors ist gegeben, wenn dieser einen Kanal aufweist,
über den die Ausströmöffnung mit der Einströmöffnung
verbunden ist. Über diesen Kanal kann ein Flüssigkeits
austausch erfolgen, so daß erwärmte Flüssigkeit von der
Ausströmöffnung zu der Einströmöffnung fließt. Bei dieser
Betriebsweise wird weniger kalte Flüssigkeit aufgenommen,
weniger Dampf injiziert und an der Ausströmöffnung weniger
erhitzte Flüssigkeit abgegeben, die jedoch die volle
gewünschte Temperatur erreicht.
Dieser Kanal kann ringförmig ausgebildet sein und die
Mischkammer umgeben, wodurch sich einfache konstruktive
Verhältnisse ergeben. Außerdem wird die Außenwandung der
Mischkammer auf einer relativ hohen Temperatur gehalten,
die über der Umgebungstemperatur und der Temperatur der
zuströmenden kalten, zu erwärmenden Flüssigkeit liegt.
Um einen sicheren Betrieb insbesondere bei schwanken
den Druckverhältnissen in der die Ringdüse mit dampfförmi
gem Wärmeträger beaufschlagenden Zuführungsleitung und der
die Einströmöffnung mit Flüssigkeit versorgenden Zufüh
rungsleitung zu gestatten, können diese jeweils mit einem
Rückflußverhinderer ausgestattet werden. Diese Rückfluß
verhinderer können in vorteilhafter Weise in den Injektor
integriert werden. Die Rückflußverhinderer verhindern ein
Rückströmen von Flüssigkeit in die Ringdüse und ein Aus
treten von Dampf durch die Einströmöffnung.
Der Injektor kann zum Erwärmen von Heizwasser oder
von Brauchwasser verwendet werden. Der Injektor erhöht
dabei den Druck der zu erwärmenden Flüssigkeit durch
Ausnutzung der in dem gespannten gas- oder dampfförmigen
Medium enthaltenen Energie. Es ist dadurch möglich, den
Injektor in einer Doppelfunktion sowohl zum Aufheizen der
Flüssigkeit als auch zum Fördern derselben zu verwenden.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 einen Injektor in einer leicht schematisierten
Schnittdarstellung,
Fig. 2 einen Injektor mit Rückflußkanälen in einer
leicht schematisierten Schnittdarstellung,
Fig. 3 einen mit Rückflußverhinderern ausgestatteten
Injektor in einer etwas schematisierten Schnittdarstel
lung,
Fig. 4 einen Wärmeverbraucher, der durch mittels des
Injektors nach Fig. 1 oder 2 erzeugten Warmwassers beheizt
ist, in schematischer Darstellung,
Fig. 5 einen Wärmeverbraucher, der durch mittels des
in Fig. 3 dargestellten Injektors erzeugten Warmwassers
beheizt ist, in schematischer Darstellung,
Fig. 6 ein mit Warmwasser gespeistes Becken, wobei
das Warmwassers mittels des Injektors nach der Fig. 1 oder
des Injektors nach der Fig. 2 erzeugt ist, in schemati
scher Darstellung,
Fig. 7 ein mit Warmwasser gespeistes Becken, das
mittels des Injektors nach Fig. 1 mit erwärmtem, aus einem
tiefergelegenen Reservoir gefördertem Wasser beaufschlagt
ist, in schematischer Darstellung, und
Fig. 8 ein mit Warmwasser gespeistes Becken, dem
mittels des in Fig. 1 dargestellten Injektors Wasser
entnommen, erwärmt und wieder zugeführt wird, in schemati
scher Darstellung.
Wie in Fig. 1 dargestellt ist, weist ein Dampfinjek
tor 1 ein Gehäuse 2 mit einem Anschlußflansch 4 für Dampf
und einen weiteren Anschlußflansch 5 für zu erwärmende
Flüssigkeit, wie beispielsweise Kaltwasser, auf. Der
Flansch 4 ist ein Dampfanschluß 01 und der Flansch 5 ist
ein Kaltwasseranschluß 03. Der Dampfanschluß 01 und der
Kaltwasseranschluß 03 führen jeweils mit einem zylindri
schen Kanal 9, 11 in das Gehäuse 2, wobei der Kanal 9 und
der Kanal 11 auf einer gemeinsamen, die jeweilige Öff
nungsrichtung definierenden Mittelachse 13 liegen.
An dem Gehäuse 2 ist außerdem ein rechtwinklig zu den
Flanschen 4, 5 stehender dritter Flansch 15 vorgesehen,
der eine Ausströmöffnung 17 umgibt. Die Ausströmöffnung 17
ist eine kreisförmige Öffnung eines in das Gehäuse 2
führenden Kanals, dessen Außenwandung 19 von einer hohl
zylindrischen Buchse 21 gebildet ist. Die Buchse 21 ist
dabei fest von einem zu dem Flansch 15 führenden Abschnitt
des Gehäuses 2 gehalten und ragt bis in einen von dem
Kanal 11 gebildeten Ringraum 23 hinein, der über den Kanal
11 mit Flüssigkeit, wie beispielsweise Kaltwasser, beauf
schlagbar ist.
In dem Ringraum 23 liegt ein Ende 25 der Buchse 21,
bei dem sie sowohl an der Innenwandung 19, als auch an
ihrer Außenwandung jeweils eine zylindrische Mantelflächen
aufweist. Die innen liegende Außenwandung 19 und die
außenliegende Mantelfläche sind über eine Stirnfläche 27
miteinander verbunden, die im Anschluß an die als Außen
wandung 19 bezeichnete innere Mantelfläche einen kreis
ringförmigen Abschnitt 27a aufweist, der konzentrisch zu
einer von der hohlzylindrischen Buchse 21 definierten
Längsmittelachse 29 angeordnet ist. Radial nach außen hin
weist die Stirnfläche 27 einen, sich an den kreisringför
migen Abschnitt 27a anschließenden kegelstumpfförmigen
Abschnitt 27b auf, der ebenfalls konzentrisch zu der
Längsmittelachse 29 liegt.
Konzentrisch zu der Längsmittelachse 29 ist außerdem
ein Düsenkörper 31 vorgesehen, der eine konische Öffnung
33 aufweist. Der Düsenkörper 31 ist an einer an dem Gehäu
se 2 vorgesehenen und den Kanal 9 von dem Kanal 11 schei
denden Zwischenwand 35 gehalten, die den Düsenkörper 31 in
einer entsprechenden Öffnung aufnimmt. Der Düsenkörper 31
weist eine zu der Stirnfläche 27 hin liegende Planfläche
37 auf, die im Abstand und parallel zu dem kreisringförmi
gen Abschnitt 27a der Stirnfläche 27 angeordnet ist und
somit einen Ringspalt 39 definiert, über den der Kanal 11
mit der Ausströmöffnung 17 kommuniziert.
Über eine konzentrisch zu der Längsmittelachse 29
liegenden, an dem Gehäuse 2 gehaltenen Stange 41 ist ein
rotationssymmetrischer Formkörper 43 gehalten, der sich
durch die Öffnung 33 des Düsenkörpers 31 in die Buchse 21
hinein erstreckt.
Der Formkörper 43 weist einen verdickten und wenig
stens abschnittsweise konisch ausgebildeten Abschnitt 45
auf, der im wesentlichen innerhalb der den Kanal 9 mit der
Ausströmöffnung 17 verbindenden und in dem Düsenkörper 31
vorgesehenen Öffnung 33 angeordnet ist. Der kegelstumpf
förmige Abschnitt 45 weist eine Mantelfläche auf, die mit
der Längsmittelachse 29 einen spitzen Winkel einschießt,
der merklich geringer ist, als der zwischen der Innenwan
dung der Öffnung 33 und der Längsmittelachse 29 einge
schlossene spitze Winkel. Dadurch wird ein sich zur Mün
dung der Öffnung 33 verengender Ringspalt 47 gebildet.
An dem kegelstumpfförmigen Abschnitt 45 des Formkör
pers 43 schließt sich ein zylindrischer Abschnitt 49 an,
der sich über den Bereich des Ringspaltes 39 hinweg in die
Buchse 21 hinein erstreckt. Der Durchmesser des zylin
drischen Abschnittes 49 ist geringer, als der Durchmesser
der Außenwandung 19 der Buchse 21, so daß der zylindrische
Abschnitt 49 mit der Außenwandung 19 eine ringspaltförmige
Mischkammer 51 begrenzt. Diese Mischkammer 51 ist hohl
zylindrisch, wobei ihre radiale Dicke sehr viel kleiner
als ihr Innendurchmesser ist.
An den zylindrischen Abschnitt 49 des Formkörpers 43
schließt sich ein kegelstumpfförmiger Abschnitt 53 ohne
Absatz an, dessen Länge die des zylindrischen Abschnitts
49 übersteigt und der mit der Längsmittelachse 29 einen
spitzen Winkel einschießt. Dadurch erweitert sich der
zwischen dem kegelstumpfförmigen Abschnitt 53 und der
Innenwandung 19 definierte freie Strömungsquerschnitt von
dem Ringspalt 47 aus gesehen. Der zylindrische Abschnitt
49 und der kegelstumpfförmige Abschnitt 53 begrenzen in
der Buchse 21 eine Mischkammer mit ringförmigen Quer
schnitt, deren Länge ihren Durchmesser übersteigt.
Anschließend an den kegelstumpfförmigen Abschnitt 53
weist der Formkörper 43 einen konischen Abschlußbereich 55
auf, der einen Nabendiffusor bildet und dessen Mantel
fläche einen spitzen Winkel mit der Längsmittelachse 29
einschließt, der größer als der von der Mantelfläche des
kegelstumpfförmigen Abschnitts 53 mit der Längsmittelachse
29 eingeschlossene spitze Winkel ist.
Der an der Stange 41 gehaltene Formkörper 43 ist
entlang der Längsmittelachse 29 verschiebbar in dem Gehäu
se 2 gehalten. Dazu ist die Stange 41 in einer die Wandung
des Kanales 9 durchgreifenden Buchse 57 verschiebbar
gelagert. Die Längsstellung der Stange 41 und damit die
genaue Position des Formkörpers 43 innerhalb des Düsenkör
pers 31 und der Buchse 21 wird durch ein mit der Stange 41
verbundenes, nicht dargestelltes Stellorgan eingestellt.
Das Stellorgan kann sowohl hand- als auch motorbetätigt
ausgeführt sein. Falls es erforderlich ist, kann die
Antriebseinrichtung ein Element einer Regelschleife sein,
die beispielsweise eine konstante Wassertemperatur an der
Ausströmöffnung 17 sicherstellen soll.
Der insoweit beschriebene Injektor 1 arbeitet wie
folgt:
Der Flansch 4 ist an eine Dampfleitung angeschlossen, über die dem Kanal 9 unter einem konstanten Druck stehen der Dampf zugeführt wird. Der Druck beträgt 1 bis 7 bar und wird für den jeweiligen Anwendungsfall konstant gehal ten, wobei er auch höher sein kann.
Der Flansch 4 ist an eine Dampfleitung angeschlossen, über die dem Kanal 9 unter einem konstanten Druck stehen der Dampf zugeführt wird. Der Druck beträgt 1 bis 7 bar und wird für den jeweiligen Anwendungsfall konstant gehal ten, wobei er auch höher sein kann.
Der Flansch 5 ist an eine Kaltwasserleitung ange
schlossen, die den Kanal 11 unter minderem Druck stehendes
Kaltwasser zuführt, dessen Temperatur beispielsweise 14°C
beträgt.
Von dem Flansch 15 führt eine an diesen angeschlosse
ne Leitung weg, die von dem Injektor 1 mit Heißwasser zu
speisen ist. Die Temperatur dieses Heißwassers soll im
Beispiel ungefährt 90°C betragen.
Der Formkörper 43 wird von der Stange 41 und auf
diese wirkenden Regelorgan derart justiert, daß der Ring
spalt 47 eine ausreichende Weite hat, um die erforderliche
Dampfmenge durchzulassen. Der über den Dampfanschluß 01
zuströmende Dampf strömt dabei durch die von dem Ringspalt
47 gebildete Ringdüse, wobei seine Geschwindigkeit erheb
lich zunimmt; Er tritt deshalb mit großer Axialgeschwin
digkeit aus dem Ringspalt 47 aus und in die Mischkammer 51
ein, wobei er über den Kaltwasseranschluß 03 zugeführtes
Kaltwasser durch den Ringspalt 39 ansaugt. Dabei vermi
schen sich der Dampf und das angesaugte Kaltwasser inten
siv unter Ausbildung von Dampfblasen mit relativ geringem
Durchmesser. Der Durchmesser dieser Dampfblasen kann die
radiale Dicke der Mischkammer 51 nicht überschreiten.
Das entstandene Gemisch bewegt sich axial durch die
Mischkammer 51, wobei der Dampf kondensiert und dabei die
frei werdende Wärmemenge auf das Wasser überträgt. Das
sich in der Mischkammer 51 mit hoher Axialgeschwindigkeit
fortbewegende Gemisch verlangsamt seine Axialgeschwindig
keit, wenn es durch die von dem Abschnitt 53 bzw. dem
Abschlußbereich 55 und der Innenwandung 9 gebildeten
ringförmigen Mischkammerabschnitt durchströmt. Spätestens
wenn das Gemisch den Abschlußbereich 55 passiert hat, ist
der in dem Gemisch enthaltene Dampf vollständig konden
siert. Das Gemisch besitzt nun eine Temperatur von bspw.
ungefähr 90°C, wobei das Gemisch unmittelbar im Anschluß
an den Ringspalt 47 und 39 an dem Nabendiffusor oder
Abschlußbereich 55 entlangströmt, wobei sich aufgrund des
zunehmenden Strömungsquerschnittes seine Geschwindigkeit
vermindert. Bei Verlassen des Injektors durch die Aus
strömöffnung 17 weist es einen gegenüber an dem Kaltwas
seranschluß 03 anliegenden Wasserdruck erhöhten Druck auf.
Zur Teillastregelung oder zum Stillsetzen des Injek
tors 1 wird die Stange 41 in Fig. 1 nach rechts bewegt,
so daß sich der Ringspalt 47 verengt oder ganz schließt.
Der an dem Dampfanschluß anliegende Dampfdruck wird dabei
nicht reduziert; die Teillastregelung erfolgt ausschließ
lich durch Verengen des in dem Ringspalt 47 vorhandenen
freien Strömungsquerschnittes. Dadurch wird auch bei
Teillast eine hohe Strömungsgeschwindigkeit im Bereiche
des Ringspaltes 47 erhalten. Dadurch kann auch im Teil
lastbetrieb ein gutes Vermischen des Dampfes mit dem
Wasser erreicht werden. Die Kondensation bleibt ruhig und
es bilden sich keine heftig implodierenden Dampfblasen.
Außerdem wird an der Ausströmöffnung 17 auch im Teillast
bereich ein erhöhter Druck erreicht.
Ein abgewandelter Injektor 1a ist in Fig. 2 darge
stellt, wobei dieser Injektor 1a soweit er im Zusammenhang
mit dem Injektor 1 beschriebene gleiche oder funktions
gleiche Teile enthält mit den gleichen, zur Kenntlichma
chung mit einem "a" versehenen Bezugszeichen versehen ist.
Die im Zusammenhang mit dem Injektor 1 gegebene Beschrei
bung des Aufbaus und der Funktion ist insoweit auf den
Injektor 1a zu übertragen.
Abweichend von dem bereits beschriebenen Injektor 1
weist der Injektor 1a einen Warmwasserrückführungskanal 60
auf, über den die Ausströmöffnung 17a mit dem Ringraum 23a
in Fluidverbindung steht. Der Warmwasserrückführungskanal
60 wird durch eine breite, nach außen geöffnete ringnut
artige Ausnehmung 62 in der äußeren Mantelfläche der
Buchse 21 gebildet. Der von der Ausnehmung 62 und dem
entsprechenden Abschnitt des Gehäuses 2a umschlossene
Ringkanal mündet mit breitem und offenem Strömungsquer
schnitt in den Ringraum 23a. Die Buchse 21a ist lediglich
mit ihrem, bei der Ausströmöffnung 17 liegenden Ende mit
dem Gehäuse 2a verbunden, wobei dieser Bereich mit Axial
bohrungen 64 versehen ist. Über diese Axialbohrungen 64
strömt Heißwasser mit einer Temperatur von etwa 90°C über
den Warmwasserrückführungskanal 60 in dem Ringraum 23a, wo
es sich mit Kaltwasser, das eine Temperatur von etwa 14°C
aufweist, vermischt. Die Temperatur der entstehenden
Mischung liegt bei etwa 50°C. Dieses vorgewärmte Wasser
wird über den Ringspalt 39a in die Mischkammer 51a ge
saugt. Um dieses vorgewärmte Wasser auf 90°C zu bringen,
die es an der Ausströmöffnung 17a aufweist, ist entspre
chend weniger Dampf erforderlich, als wenn Wasser mit
einer Temperatur von 14°C angesaugt würde. Dadurch kann
der Formkörper 43a im Teillastbetrieb sehr weit in die
Öffnung 33a hineingefahren werden, so daß der Ringspalt
47a sehr eng ist. Der sich ausbildende Dampfstrahl ist
dadurch sehr dünnwandig und kommt überdies lediglich mit
vorgewärmtem Wasser in Berührung. Die sich ausbildenden
Dampfblasen sind dadurch sehr klein und deren Implosions
neigung infolge der erhöhten Temperatur des in der Mi
schung enthaltenen Wassers verringert. Der Injektor 1a
arbeitet deshalb auch im extremen Teillastbereich ruhig
und zuverlässig.
In Fig. 3 ist ein insbesondere für Heizungsanlagen
für Wohnhäuser vorgesehener Injektor 1b dargestellt, der
vom prinzipiellen Aufbau mit dem Dampfinjektor 1 überein
stimmt, wobei der Dampfinjektor 1b jedoch zusätzlich mit
Rückschlagverhinderern 70, 71 versehen und im Vierwege
schema konstruiert ist. Teile des Injektors 1b, die mit
Teilen des Injektors 1 funktionsgleich sind, tragen die
gleichen Bezugszeichen, wobei sie zur Kenntlichmachung mit
einem b versehen sind.
An dem Gehäuse 2b sind die Flansche 4b, 5b als
Schraubflansche oder Schraubanschlüsse ausgeführt, wobei
sie nicht wie bei dem in Fig. 1 dargestellten Injektor 1
gegenüberliegen, sondern an gegenüberliegenden Seiten des
Gehäuses 2b seitlich gegeneinander versetzt angeordnet
sind. Dem Flansch 5b gegenüberliegend ist ein weiterer,
über eine Ringkammer 72 mit dem Flansch 5b kommunizieren
der Schraubflansch 74 vorgesehen, der einen weiteren
Kaltwasseranschluß 02 bildet und über den Wasser sowohl
zu- als auch abfließen kann. Damit kann der Dampfinjektor
1b von Rücklauf- oder Kaltwasser quer durchströmt werden.
Die Ringkammer 72 ist als in der Buchse 21b vorgese
hene Ringnut ausgebildet, deren Breite die Durchmesser der
Flansche 5b, 74 übersteigt. Die Buchse 21b ist bei ihrer
bei der Ausströmöffnung 17b liegenden Seite mit einem
Außengewinde versehen, mittels dessen sie in dem Gehäuse
2b gehalten ist. Zwischen der Ringkammer 72 und dem Außen
gewinde liegt ein O-Ring 76, um eine Abdichtung herbeizu
führen.
Die Buchse 21b sitzt in einem zylindrischen, in dem
Gehäuse 2b vorgesehen Aufnahmeraum 78, der die Ringkammer
72 nach außen begrenzt. Im Anschluß an die Ringkammer 72
weist die Buchse 21b eine sich radial nach außen erstrec
kende Wand 80 auf, in der axiale Durchtrittsöffnungen oder
Bohrungen 82, 84 vorgesehen sind, die eine Fluidverbindung
zwischen der Ringkammer 72 und dem Ringraum 23b schaffen.
Um lediglich eine Strömung aus der Ringkammer 72 in den
Ringraum 23b zuzulassen, ist eine mit einem zentrischen
Loch versehene Gummischeibe 86 vorgesehen, die als Mem
branventil den Rückflußverhinderer 71 bildet. Die Gummi
scheibe 76 ist an ihrem radial äußeren Rand in einer
entsprechenden Nut der Wand 80 gefaßt und legt in ihrer
Ruhestellung die Bohrungen 82, 86 verschließend an diesen
an.
Die Buchse 21b stößt mit einem ringförmigen, an der
Wand 80 vorgesehenen radialen Vorsprung 88 an den hier
scheibenförmig ausgebildeten Düsenkörper 31b an, dessen
Öffnung 33b mit dem Formkörper 43 den hier zylinderförmi
gen Ringspalt 47 begrenzt und eine Kreisringdüse für Dampf
bildet.
Der Formkörper 43b ist axial unverschieblich mit
einer Scheibe 92 verbunden, die in dem zylindrischen
Aufnahmeraum 78 sitzt. Die Scheibe 92 stützt sich mit
jeweils ringförmigen, in entgegengesetzten Richtungen
axial vorstehenden Vorsprüngen, sowohl an dem Düsenkörper
31b, als auch an einer Steuerventilscheibe 94 ab, die eine
kegelförmige Dampfeinlaßöffnung 96 aufweist. Die Scheibe
92 ist mit mehreren, auf einem konzentrisch zu der Längs
mittelachse 29b liegenden Kreis angeordneten Axialbohrun
gen 98, 100 versehen, die von einer randseitig eingespann
ten, den Rückflußverhinderer 70 bildenden Gummischeibe 102
abgedeckt sind. In Ruhestellung liegt die auf der dem
Düsenkörper 31b zugewandten Seite angeordnete Gummischeibe
102 an den Axialbohrungen 98, 100 an, wobei sie die Axial
bohrungen 98, 100 für eine Flußrichtung von dem Dampf
anschluß 01 zu dem Ringspalt 47b freigibt.
Der kegelstumpfförmigen und einen Ventilsitz bilden
den Dampfeinlaßöffnung 96 ist ein in der Buchse 57b axial
verschiebbares Ventilglied 104 zugeordnet, das an seinem,
in die Dampfeinlaßöffnung 96 hinein bewegbaren Ende kegel
stumpfförmig ausgebildet und dort mit einem O-Ring 106
versehen ist. Das Ventilglied 104 kann unterschiedliche
Axialpositionen einnehmen, wobei in Fig. 3 oberhalb der
Längsmittelachse 29b eine ganz geschlossene Ventilstellung
und unterhalb der Längsmittelachse 29b eine ganz offene
Ventilstellung dargestellt ist. Wenn das Ventilglied 104
Zwischenstellungen einnimmt, ist ein Teillastbetrieb
möglich.
Die Funktionsweise des insoweit beschriebenen Injek
tors 1b stimmt im wesentlichen mit der Funktionsweise des
Injektors 1 überein, wobei jedoch der Rückflußverhinderer
71 ausschließt, daß Warmwasser oder Dampf an den Kalt
wasseranschlüssen 02, 03 austreten. Der Rückflußverhinde
rer 70 bewirkt, daß weder Kaltwasser, noch Warmwasser
durch den Dampfanschluß 01 zurückdrücken können.
Der Injektor 1b besteht im wesentlichen aus rota
tionssymmetrischen Teilen, was die Fertigung erheblich
vereinfacht.
In Fig. 4 ist schematisch eine Wärmeverbrauchersta
tion dargestellt, die an ihrem Dampfanschluß 01 mit über
eine Dampfleitung herangeführten Dampf beaufschlagt ist.
In der Wärmverbraucherstation anfallendes Kondensat wird
über eine den Kaltwasseranschluß 02 bildende Kondensatsam
melleitung abgeführt. Die Wärmeverbraucherstation enthält
im wesentlichen einen Wärmeverbraucher 110, der über eine
Vorlaufleitung 112 an den Flansch 15 des Injektors 1
angeschlossen und mit Warmwasser versorgt ist. Der Injek
tor 1 ist mit seinem Flansch 4 an den Dampfanschluß 01
angeschlossen. Der Flansch 5 ist über eine Saugleitung an
der Kondensatsammelleitung angeschlossen, an die auch der
Wärmeverbraucher 110 mit einer Rücklaufleitung 114 ange
schlossen ist. Der Verbraucher 110 ist ein beliebiger mit
Warmwasser beheizbarer industrieller Verbraucher.
Im Gegensatz dazu zeigt die Fig. 5 eine mit Warm
wasser betriebene Wohnraumheizung 116, die mittels des
Injektors 1b nach Fig. 2 mit Warmwasser beaufschlagt ist.
Die Wohnraumheizung 116 ist über die Vorlaufleitung 112
mit dem Flansch 15b des Injektors 1b verbunden, während
die Rücklaufleitung 114 direkt an den an einen Saugan
schluß bildenden Flansch 5b des Injektors 1b geführt ist.
Das über die Rücklaufleitung 114 herangeführte Kondensat
durchströmt den Injektor 1b quer und wird an dem Schraub
flansch 74 heraus- und in die Kondensatsammelleitung 02
abgeleitet.
Eine weitere Anwendung ist in Fig. 6 dargestellt, bei
der ein Warmwasserbecken 118 mittels des Injektors 1a mit
Warmwasser gespeist ist. Das Becken ist über die an dem
Flansch 15a angeschlossene Vorlaufleitung 112 mit Warm
wasser gespeist. Das Warmwasser wird durch Mischung, das
heißt Injektion des an dem Dampfanschluß 01 anliegenden
Dampfes mit aus der Kondensatsammelleitung 02 angesaugtem,
kühleren Kondensat erzeugt. Dazu ist der Injektor 1a mit
seinem Flansch 4a an den Dampfanschluß 01 und mit seinem
Flansch 5a an die Kondensatsammelleitung 02 angeschlossen.
Mittels des Injektors 1a wird das aus der Kondensatsammel
leitung 02 stammende Kondensat sowohl erwärmt, als auch in
das möglicherweise höhergelegene Warmwasserbecken 118
gefördert.
Bei der in Fig. 7 dargestellten Wärmeverbraucher
station ist der Injektor 1 mit seinem als Sauganschluß
dienenden Flansch 5 an ein Kaltwasserbecken 120 ange
schlossen. Der über den Flansch 4 aus dem Dampfanschluß 01
in den Injektor einströmende Dampf fördert aus dem Kalt
wasserbecken 120 angesaugtes Kaltwasser und erwärmt die
ses. Das so erzeugte Warmwasser steht mit erhöhtem Druck
an dem Flansch 15 bereit und strömt über die Vorlauflei
tung 112 in das Warmwasserbecken 118. Der Injektor 1 wirkt
damit zugleich als Pumpe.
Bei der in Fig. 8 dargestellten Wärmeverbraucher
station wird mittels des Dampfinjektors 1 in einem
Reservoir 122 gehaltenes Wasser im Kreislauf erwärmt. Dazu
ist der mit seinem Flansch 4 an dem Dampfanschluß 01
liegende Injektor mit seinem Flansch 5 so an das Reservoir
122 angeschlossen, daß dem Reservoir 122 Wasser in seinem
Bodenbereich entnommen wird. Der Flansch 15 führt in das
Reservoir 122 zurück und speist dieses mit Warmwasser.
Wird der Flansch 4 des Injektors 1 mit Dampf beaufschlagt,
saugt der Injektor über den Flansch 5 bodennahes Kalt
wasser aus dem Reservoir 122 ab und speist das sich mit
Dampf mischende und dadurch erwärmende Wasser in das
Reservoir 122 zurück.
Claims (20)
1. Injektor (1) zum Einleiten eines dampfförmigen
Wärmeträgers in eine zu erwärmende Flüssigkeit,
mit einer eine Ausströmöffnung (17) aufweisenden Mischkammer (51),
mit einer mit dem dampfförmigen Wärmeträger beauf schlagbaren Ringdüse (31), die in die Mischkammer (51) mündet und die eine ringspaltförmige Austrittsöffnung (47) aufweist,
mit wenigstens einer mit der zu erwärmenden Flüssig keit beaufschlagbaren, in die Mischkammer (51) mündenden Einströmöffnung (39), die in Bezug auf die von der Ringdü se (31) definierten Durchströmungsrichtung nach der Aus trittsöffnung (47) der Ringdüse (31) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Mischkammer wenigstens einen ringförmig ausgebildeten, radial durch eine Innenwandung (49, 53) und eine Außenwandung (19) begrenzten Abschnitt aufweist,
daß der ringförmig ausgebildete Abschnitt der Misch kammer (51) wenigstens einen hohlzylindrisch ausgebildeten Bereich mit konstantem Strömungsquerschnitt aufweist,
daß die Länge des ringförmigen Abschnittes der Misch kammer (51) größer als der oder gleich dem Durchmesser der Außenwandung des ringförmigen Abschnittes ist, und
daß die radiale Dicke des ringförmigen Abschnittes (51) beträchtlich kleiner ist als der Durchmesser seiner Innenwandung.
mit einer eine Ausströmöffnung (17) aufweisenden Mischkammer (51),
mit einer mit dem dampfförmigen Wärmeträger beauf schlagbaren Ringdüse (31), die in die Mischkammer (51) mündet und die eine ringspaltförmige Austrittsöffnung (47) aufweist,
mit wenigstens einer mit der zu erwärmenden Flüssig keit beaufschlagbaren, in die Mischkammer (51) mündenden Einströmöffnung (39), die in Bezug auf die von der Ringdü se (31) definierten Durchströmungsrichtung nach der Aus trittsöffnung (47) der Ringdüse (31) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Mischkammer wenigstens einen ringförmig ausgebildeten, radial durch eine Innenwandung (49, 53) und eine Außenwandung (19) begrenzten Abschnitt aufweist,
daß der ringförmig ausgebildete Abschnitt der Misch kammer (51) wenigstens einen hohlzylindrisch ausgebildeten Bereich mit konstantem Strömungsquerschnitt aufweist,
daß die Länge des ringförmigen Abschnittes der Misch kammer (51) größer als der oder gleich dem Durchmesser der Außenwandung des ringförmigen Abschnittes ist, und
daß die radiale Dicke des ringförmigen Abschnittes (51) beträchtlich kleiner ist als der Durchmesser seiner Innenwandung.
2. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die radiale Dicke des ringförmigen Abschnittes (51)
höchstens ein Fünftel des Durchmessers seiner Innenwandung
beträgt.
3. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Länge des ringförmigen Abschnittes der Mischkammer
(51) derart bemessen ist, daß eingeströmter Dampf vor
Verlassen des Bereiches vollständig kondensiert ist.
4. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet
daß die Ringdüse (31) eine im Vergleich zu ihrem Außen
durchmesser geringe Spaltweite aufweist.
5. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet
daß der Außendurchmesser der die Ringdüse (31) bildenden
Öffnung mit dem Innendurchmesser der Außenwandung (19) der
Mischkammer (51) im wesentlichen übereinstimmt.
6. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet
daß die Ringdüse (31) in ihrem Strömungsquerschnitt ver
änderbar ausgelegt ist.
7. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der ringförmig ausgebildete Abschnitt der Mischkammer
(51) axial durchströmt ist.
8. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Dampfströmungsrichtung axial festgelegt ist.
9. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß in der Mischkammer (51) ein ringförmiger Saugbereich
ausgebildet ist, in den die Einströmöffnung (39) mündet.
10. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einströmöffnung (39) von einem koaxial zu der
Ringdüse (31) angeordneten Ringspalt gebildet ist.
11. Injektor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einströmöffnung (39) im wesentlichen mit radialer
Öffnungsrichtung in den Saugbereich mündet.
12. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Innenwandung (49, 53) und die Außenwandung (19)
einen sich wenigstens abschnittsweise von der Ringdüse
(31) weg erweiternden Strömungsquerschnitt definieren.
13. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Injektor (1) einen von der ringspaltförmigen
Ausströmöffnung (47) umgebenen und sich von dieser weg
erstreckenden Leitkörper (43) aufweist, der im Anschluß an
die Ausströmöffnung (47) eine Innenwandung des ringförmi
gen Abschnittes der Mischkammer (51) bildet.
14. Injektor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich
net, daß die die Mischkammer (51) stirnseitig begrenzende
Ringdüse durch eine von dem Leitkörper (43) durchgriffene,
an einem Düsenkörper (31) vorgesehene Öffnung (33) gebil
det ist.
15. Injektor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich
net, daß der Leitkörper (43) einen zylindrischen
Abschnitt (49) aufweist, der sich in einen zylindrischen
Abschnitt der Mischkammer (51) erstreckt.
16. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Leitkörper (43) derart beweglich gehalten ist, daß
die Erstreckung, mit der er in die Mischkammer (51) ragt,
einstellbar ist.
17. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Injektor (1) einen Kanal (60, 62, 64) aufweist,
über den die Auströmöffnung (17) mit der Einströmöffnung
(39) verbunden ist.
18. Injektor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeich
net, daß der Kanal (60, 62, 64), über den die Auströmöff
nung (17) mit der Einströmöffnung (39) verbunden ist,
ringförmig ausgebildet ist und die Mischkammer (51) um
gibt.
19. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Ringdüse (31) ein Rückflußverhinderer (70) vor
geschaltet ist.
20. Injektor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeich
net, daß der Einströmöffnung (39) ein Rückflußverhinderer
(71) vorgeschaltet ist.
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