DE19719120C2 - Vorrichtung zur Kühlung von Heißdampf - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung von durch eine Rohrleitung strömendem Heißdampf, mit einem Heißdampf-Stellorgan und einer axial in Strömungsrichtung nach vorn gerichteten Zweistoffdüse, die koaxiale Wasser- und Treibdampfdüsen aufweist.

Derartige Kühlvorrichtungen dienen dazu, Heißdampf durch Einsprühen von fein vernebeltem Wasser auf niedrigere Temperaturen zu bringen. Die hierzu erforderliche gleichmäßige Zerstäubung des Wassers wird bei der vorgenannten Ausführungsform durch eine Zweistoffdüse erreicht, die vor einem Heißdampf-Stellorgan angeordnet ist, mit dem der Dampfstrom durch die Rohrleitung einstellbar ist. Die Zweistoffdüse ist mit Wasser und Treibdampf, der vom Heißdampf abgezweigt wird, beaufschlagbar, wobei die koaxial ineinander angeordneten Düsenöffnungen für Wasser und Treibdampf axial nach vorn in den Heißdampfstrom weisen und so zueinander ausgerichtet sind, daß der Treibdampf das austretende Wasser vernebelt.

Um den Heißdampf definiert zu kühlen, d. h., ihn auf konstanter Temperatur zu halten, ist es erforderlich, die zugeführte Kühlwassermenge auf den jeweils vom Heißdampf-Stellorgan durchgelassenen Heißdampfstrom abzustimmen. Bei den gattungsbildenden Vorrichtungen, die eine einzige, meist zentral im Rohrquerschnitt angeordnete Zweistoffdüse aufweisen, wird hierzu lediglich der Zufluß der Wasserdüse entsprechend reguliert.

Die Kühlvorrichtungen der vorbeschriebenen Art haben den Vorteil, daß sie relativ unkompliziert und kompakt aufgebaut sind. Diese relativ kostengünstige Konstruktion gewährleistet bei Vollast- bzw. im oberen Teillastbetrieb eine gute Funktion, d. h. eine hinreichend gleichmäßige Wasserzerstäubung. Wird allerdings eine solche, hinsichtlich der Bemessung der Düsenquerschnitte auf Vollast ausgelegte Kühlstation im unteren Teillastbereich auf Sattdampf gefahren, findet aufgrund der verringerten Druckdifferenz an der Wasserdüse nur noch eine unzureichende Zerstäubung bzw. Vernebelung des Kühlwassers auf. Neben der dadurch verschlechterten Kühlwirkung kann dabei die Bildung von Wassertropfen auftreten, welche z. B. eine Gefährdung von nachfolgenden Turbinenstufen mit sich bringt und aus diesem Grunde unbedingt vermieden werden muß.

Um dieses Problem in den Griff zu bekommen und unter allen auftretenden Betriebsbedingungen, also auch im unteren Teillastbereich, eine hinreichend gleichmäßige Wasserzerstäubung zu erreichen, ist zwar in der DE 43 13 115 C2 bereits eine Kühlvorrichtung vorgeschlagen worden, bei der mehrere einzelne Wasserdüsen je nach dem benötigten Kühlwasserstrom beaufschlagbar sind. Diese Konstruktion ist allerdings bereits durch die Vielzahl der erforderlichen Wasserdüsen - in der Praxis sind etwa sechzehn Düsen erforderlich - außerordentlich aufwendig und kompliziert in der Herstellung und entsprechend teuer. Bedingt durch den radial zur Rohrleitung verschiebbaren Steuerkolben ist diese Konstruktion relativ ausladend und erfordert entsprechend viel Einbauraum. Trotz der dadurch erreichten, prinzipbedingt außergewöhnlich hohen Funktions- und Betriebssicherheit wird diese Bauform deswegen hauptsächlich für spezielle Anwendungen eingesetzt, in denen die obengenannten Anordnungen mit nur einer Zweistoffdüse wegen der geschilderten Nachteile von vornherein nicht in Frage kommen. Dies führt dazu, daß bei Normalanwendungen, in denen einfache Zweistoffdüsen nach wie vor zum Einsatz gelangen, bei unvorhergesehenen Betriebsbedingungen ein unkalkulierbares Restrisiko auftritt.

Eine andere Lösung zur Drosselung und Kühlung heißen Dampfes schlägt die Offenlegungsschrift DE 43 04 972 A1 vor. Der gesamte Dampf wird durch ein Dampfumformventil geleitet, wo er eine zweistufige Drosselung und eine Kühlung durch Kühlwasser erfährt. Um die eingespritzte Kühlwassermenge an den jeweiligen Dampfstrom bei Teillast oder Vollast anzupassen, wird bei Teillast die Kühlung durch die Wassereinspritzung nach der ersten Drosselstufe vorgenommen, wohingegen bei Vollast der Dampf zunächst zweistufig gedrosselt wird und erst im Dampfauslaß mit einer Wasserdüse auf geringere Temperaturen abgespritzt wird. Somit wird vermieden, daß bei Teillast unverhältnismäßig große Wassermengen eingespritzt werden, welche nachfolgende Bauteile errosiv beschädigen würden. Der Nachteil dieser Vorrichtung ist jedoch, daß bei Vollast der Düsenquerschnitt der Wasserdüse im Dampfauslaß für beliebige Wassermengen konstant bleibt und somit eine optimale Zerstäubung des Wassers nicht gewährleistet werden kann. Die zwangsläufig auftretenden größeren Wassertropen bei Wassermengen, an die der Düsenaustrittsquerschnitt nicht angepaßt ist, führen zur Erosionsbeschädigung und eventuell zur Schwingungsanregung der anschließenden Rohrleitung, was nicht selten Bauteilschwächungen und Schwingungsbrüche zur Folge haben kann.

Eine weitere Möglichkeit gedrosselten heißen Dampf abzukühlen, wird in der Patentanmeldung EP 0 479 020 A1 beschrieben. Hier wird der gedrosselte Dampf mit zuvor im Gegenstrom gemischten Dampfwassergemisch abgekühlt. Die Abkühlung erfolgt durch ein Düsenrohr mit einer koaxialen Hilfsdampfeinführung. Der Hilfsdampf aus der koaxialen Einführung mischt sich mit drallbehaftetem Kühlwasser vor dem Austreten aus dem ringförmigen Querschnitt der Düse des Düsenrohres. Ein Nachteil dieser Vorrichtung liegt in der Aufwendigkeit und den damit verbundenen hohen Kosten. Weiterhin von Nachteil ist der nicht vorhandene Raum hinter der Düse, den das Wasser - Dampfgemisch bräuchte um zu zerstäuben. Unmittelbar hinter dem Düsenrohr schließt sich eine konkave Strömungsleitkontur an, aus welcher durch Bohrungen der abzuspritzende Dampf strömt. Da das Kühlwasser nicht den erforderlichen Raum zur Zerstäubung hat, werden große Tropfen durch den abzuspritzenden Dampf beschleunigt und beschädigen nachfolgende Bauteile.

Die Patentschrift DE 37 20 918 C1 beschreibt ebenfalls ein Dampfumformventil, welches einen ähnlichen Aufbau, wie das Dampfumformventil der Offenlegungsschrift DE 43 04 972 A1 aufweist. Der Unterschied besteht lediglich darin, daß die Abspritzung des heißen Dampfes unabhängig vom Lastzustand hinter der zweistufigen Drosselung im Dampfauslaß erfolgt, wobei der Düsenquerschnitt der Dampf-Wasser-Düse nicht variiert wird. Durch die fehlende Einstellungsmöglichkeit des Düsenaustrittsquerschnitts, kann es vor allem im Teillastbereich zur Tröpfchenbildung und somit zur Tropfenerrosion bzw. zu Wasserschlägen im Dampfauslaß kommen.

Ausgehend von dieser Problematik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabenstellung zugrunde, eine Kühlvorrichtung zu schaffen, die bei geringem Konstruktionsaufwand und kompaktem Aufbau - vergleichbar mit den als Stand der Technik zugrunde gelegten Kühlvorrichtungen mit einer Zweistoffdüse - eine möglichst hohe Funktions- und Betriebssicherheit - wie die letztgenannten Mehrfach-Düsenanordnungen - gewährleistet.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung eine Kühlvorrichtung mit den Merkmalen im Patentanspruch 1 vor.

Gemäß der Erfindung ist bei einer Heißdampf-Kühlvorrichtung mit einer Zweistoffdüse deren Wasserdüse mit einem als Steuerkolben ausgebildeten Stell- bzw. Steuerorgan versehen. Eine Verstellung dieses Steuerkolbens bewirkt eine Verkleinerung bzw. Vergrößerung des wirksamen Düsenquerschnitts.

Der besondere Vorteil der Erfindung liegt darin, daß der Austritts-, d. h. Düsenquerschnitt problemlos an den in Abhängigkeit vom Heißdampfstrom variablen Kühlwasserstrom anpaßbar ist. Unter Vollast wird dazu der Steuerkolben in Öffnungsstellung zurückgefahren und der maximale Düsenquerschnitt freigegeben. In dieser Einstellung arbeitet die erfindungsgemäße Düse praktisch wie eine Wasserdüse gemäß dem Oberbegriff mit unveränderbarem Querschnitt. Im unteren Teillastbereich, bei dem im Stand der Technik die obengenannten Probleme auftreten, wird der Düsenquerschnitt durch eine entsprechende Versteilung des Steuerkolbens soweit verringert, daß trotz der reduzierten Wasserzufuhr an der Düsenöffnung die für eine gleichmäßige und feine Vernebelung des Wassers erforderliche Druckdifferenz herrscht. Auf diese Weise wird bei einer Kühlvorrichtung mit einer einzigen Zweistoffdüse erstmalig eine gleichbleibend hohe Funktions- und Betriebssicherheit über den gesamten Lastbereich, der beispielsweise im Sattdampfbetrieb einen Kühlwasserstrom von 0,5-10 t Wasser/h erfordern kann, gewährleistet.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß Konstruktion, Herstellung und Installation einen relativ geringen Aufwand erfordern. Verglichen mit den bereits genannten Mehrfach-Düsenanordnungen ist die erfindungsgemäße Vorrichtung bei vergleichbaren günstigen Eigenschaften jedenfalls erheblich einfacher aufgebaut, kompakter und kostengünstiger.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß das Heißdampf-Stellorgan eine axial bewegliche Stellspindel aufweist, die an den Steuerkolben ankoppelbar ist. Das Heißdampf-Stellorgan wird dabei im wesentlichen durch eine koaxial in den Rohrquerschnitt ragende Sitzbuchse mit radialen Heißdampf-Einlaßöffnungen gebildet, in welcher die rohrförmige Stellspindel axial verschieblich gelagert ist. Indem diese beispielsweise nach hinten verschoben wird, werden nacheinander die Heißdampf-Durchtrittsöffnungen freigegeben und auf diese Weise der Heißdampfstrom hochgefahren.

In der vorgenannten Ausführungsform steht die Stellspindel mit dem Steuerkolben der Wasserdüse praktisch in unmittelbarer Wirkverbindung. Durch die nunmehr gekoppelte Bewegung wird die Wasserdüse in Öffnungsstellung der Stellspindel ebenfalls vollständig geöffnet, während die in Drosselstellung verschobene Stellspindel den Steuerkolben ebenfalls in Drosselstellung bewegt. Auf diese Weise wird der Düsenquerschnitt der Wasserdüse über den gesamten Lastbereich automatisch optimal auf den Dampfstrom eingestellt. Bei alledem kann die technische Realisierung ausgesprochen einfach erfolgen, da die Stellspindel und der Steuerkolben auf der Rohrachse hintereinander liegend angeordnet werden können und sich eine Montage des Düsenstocks direkt auf der Sitzbuchse der Stellspindel anbietet.

Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform sieht vor, daß die Stellspindel erst kurz vor Erreichen des drosselseitigen Endes des Verstellwegs am Steuerkolben angreift und diesen in Drosselstellung bewegt. Ausgehend von der Erkenntnis, daß praktisch ausschließlich im unteren Lastbereich ein kritischer Bereich auftritt, in dem die Dampfströmung für eine ausreichende Vernebelung zu gering ist, schlägt diese Weiterbildung der Erfindung eine diskontinuierliche Ansteuerung des Steuerkolbens der Wasserdüse vor. Der Steuerkolben wird dabei im mittleren und oberen Lastbereich bei einer Verstellung der Stellspindel nicht bewegt. Erst im unteren Lastbereich, beispielsweise im Teillastbereich bis 20% der Vollast, gelangt die Stellspindel in Wirkverbindung mit dem Steuerkolben und schiebt diesen beim weiteren Schließen in Drosselstellung. Der besondere Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, daß der Verstellbereich der Wasserdüse relativ klein ausfallen kann und deswegen eine besonders einfache und kostengünstige Konstruktion möglich ist. Die Funktions- und Betriebssicherheit der Kühlvorrichtung wird hingegen nicht beeinträchtigt.

Bei einer vorteilhaften praktischen Realisierung der Erfindung weist der Steuerkolben einen Schaft auf, der axial aus dem Düsenstock herausgeführt ist und das Heißdampf-Stellorgan weist Mittel auf, die axial gegen den Schaft bewegbar sind. Über den Schaft, der beispielsweise nach hinten abgedichtet aus dem Düsengehäuse herausgeführt ist, kann der Steuerkolben unmittelbar betätigt werden. Das Heißdampf-Stellorgan, beispielsweise eine längs verschiebliche Stellspindel, ist an seinem vorderen Ende mit einem Zapfen oder dergleichen versehen, der an den Schaft ankoppelbar ist. Bei dieser Ausführungsform läßt sich eine diskontinuierliche Wirkverbindung besonders einfach dadurch bewerkstelligen, daß der Zapfen der Stellspindel erst im letzten Abschnitt des drosselseitigen Verstellwegs gegen das Ende des Schafts fährt und diesen bei einer weiteren Drosselung des Heißdampfs ebenfalls in Drosselstellung verschiebt.

Ein besonders kompakter Aufbau wird dadurch erreicht, daß der Düsenstock axial auf dem vorderen Ende der Sitzbuchse der Stellspindel angebracht ist.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß der Steuerkolben in Öffnungsstellung axial federbelastet ist. Durch ein Federpaket, beispielsweise ein Tellerfederpaket, wird der Steuerkolben in unbetätigtem Zustand gegen einen Anschlag im Düsenstock gespannt. Auf diese Weise wird eine Sicherheits-Schnellöffnung realisiert, für den Fall, daß die Betätigungseinrichtungen des Steuerkolbens ausfallen sollten. Außerdem ist diese Ausbildung zur Umsetzung einer diskontinuierlichen Wirkverbindung besonders geeignet, da der Steuerkolben durch die Federn von selbst in Öffnungsstellung gehalten wird, solange die Stellspindel - im mittleren und oberen Lastbereich - nicht am Steuerkolben angreift.

Zweckmäßigerweise verjüngt sich der Querschnitt der Wasserdüse nach vorn zur Düsenöffnung hin, wobei der zylindrische Steuerkolben koaxial im Düsenstock axial verschiebbar gelagert ist. Die Abmessungen von Wasserdüse und Steuerkolben sollten dabei so abgestimmt sein, daß zwischen dem Steuerkolben und der Düsenwandungen als Düsenöffnung lediglich ein schmaler Ringspalt verbleibt, dessen Querschnitt zu bemessen ist, daß selbst bei der minimalen zugeführten Wassermenge eine für die Vernebelung ausreichende Strömungsgeschwindigkeit auftritt.

Vorzugsweise ist die Dampfdüse als die Wasserdüse koaxial umgebende Ringdüse ausgebildet. Die Vernebelung erfolgt dabei besonders effektiv, wenn die Dampfdüse einen Drallkörper mit tangential zu einer Schraubenlinie verlaufenden Drallkanälen aufweist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung näher erläutert. Fig. 1 zeigt hierzu einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung, in der diese als Ganzes mit dem Bezugszeichen 1 versehen ist. In der unteren Hälfte ist diese in Drosselstellung dargestellt, während die obere Hälfte gestrichelt eingezeichnet die Öffnungsstellung zeigt.

Die Kühlvorrichtung 1 weist eine Zweistoffdüse 2 mit einem Düsenstock 3 auf, die koaxial nach vorn gerichtet, d. h. in die mit dem Pfeil angedeutete Strömungsrichtung des Heißdampfs, zentral in einer im einzelnen nicht dargestellten Heißdampf-Rohrleitung angeordnet ist. Im Düsenstock 3 befindet sich eine als Ringdüse ausgebildete Dampfdüse 4, die koaxial eine zentrale Wasserdüse 5 umgibt. Über Zuleitungen 4a und 5a sind die vorgenannten Düsen 4 und 5 mit Treibdampf bzw. Wasser beaufschlagbar.

Im Innern der nach vorn zum Düsenauslaß konisch zulaufenden Wasserdüse 5 ist ein zylindrischer Steuerkolben 6 axial verschieblich gelagert, an dem hinten ein Schaft 7 angeschlossen ist, der axial verschieblich abgedichtet nach hinten aus dem Düsenstock 3 herausgeführt ist. Mittels eines Tellerfederpakets 8, welches zwischen einem Absatz im Düsenstock 3 und einem Vorsprung am Steuerkolben 6 eingesetzt ist, wird der Steuerkolben 6 im unbetätigten Zustand in seiner in der oberen Zeichnungshälfte angedeutete Ruhestellung gehalten, in welcher der Durchtrittsquerschnitt der Wasserdüse 5 maximal geöffnet ist.

Die Zweistoffdüse 2, d. h. deren Düsenstock 3, ist auf dem vorderen Ende einer Sitzbuchse 9 angebracht, die mit Heißdampf beaufschlagbar ist und radiale Heißdampf-Durchtrittsöffnungen 9a aufweist. In dieser Sitzbuchse 9 ist eine rohrförmige Stellspindel 10 derart längsverschieblich gelagert, daß bei einer Verschiebung nach hinten, d. h. in der Zeichnung nach rechts, die Heißdampf-Durchtrittsöffnungen 9a nacheinander freigegeben werden und auf diese Weise der Dampfstrom einstellbar ist.

An der Stellspindel 10 ist ein zentraler Betätigungszapfen 11 angebracht, der mit dem Schaft 7 des Steuerkolbens 6 fluchtet. Dieser Zapfen 11 ist so bemessen, daß, wenn die Stellspindel 10 in Drosselstellung, d. h. in der Zeichnung nach links, bewegt wird, er im Bereich der letzten 20% des Verstellwegs gegen den Schaft 7 anschlägt und bei einer weiteren Drosselung diesen und damit dem Steuerkolben 6 entgegen der Vorspannung des Federpakets 8 in Drosselstellung schiebt, wie dies in der unteren Hälfte der Zeichnung dargestellt ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung funktioniert wie folgt:

Bei Vollast oder oberer Teillast, in der die Stellspindel 10 in der Sitzbuchse 9 nach hinten, d. h. in der Zeichnung nach rechts, zurückgezogen ist und die Mehrzahl der Heißdampf-Durchtrittsöffnungen 9a freigibt, wird der Steuerkolben 6 mittels des Tellerfederpakets 8 in seiner Öffnungsstellung gehalten, wie dies in der oberen Zeichnungshälfte dargestellt ist. In dieser Stellung ist der maximale Durchtrittsquerschnitt der Wasserdüse 5 freigegeben. Aufgrund des in diesem Betriebszustand herrschenden starken Dampfstroms ist eine hinreichend feine Vernebelung der gesamten Wassermenge gewährleistet.

Wird die Stellspindel 10 in Drosselstellung bewegt, d. h. nach vorn - also in der Zeichnung nach links - setzt der Zapfen 11 im unteren Teillastbereich, beispielsweise etwa bei 20% des Verstellwegs, auf den Schaft 7 des Steuerkolbens 6 auf. Bei einer weiteren Drosselung, d. h. Betätigung der Stellspindel 10, wird nunmehr der Steuerkolben 6 ebenfalls in Drosselstellung bewegt, wie dies in der unteren Zeichnungshälfte dargestellt ist. Im maximal gedrosseltem Zustand verbleibt zwischen dem Steuerkolben 6 und der vorderen Düsenöffnung der Wasserdüse 5 lediglich ein schmaler Ringspalt, so daß auch eine geringere zuströmende Wassermenge eine ausreichende Strömungsgeschwindigkeit erhält und zuverlässig vernebelt wird.

Die erfindungsgemäße Zweistoffdüse 2 ist relativ einfach und ausgesprochen kompakt aufgebaut. Durch die Ankopplung des Steuerkolbens 6 an die Stellspindel 10 über die diskontinuierliche Wirkverbindung, bei welcher der Zapfen 11 nur im letzten Teil des Drosselbereichs am Schaft 7 angreift, werden günstige Betriebseigenschaften bei kleinen Abmessungen erreicht.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Kühlung von durch eine Rohrleitung strömendem Heißdampf, mit einem Heißdampf-Stellorgan (6, 10) und einer axial in Strömungsrichtung nach vorn gerichteten Düse (2) zum Einsprühen von Wasser in den Rohrleitungsquerschnitt, die als mit Treibdampf beaufschlagbare Zweistoffdüse (2) ausgebildet ist und koaxial ineinanderliegende Wasser- und Treibdampf-Ringdüsen (5, 4) aufweist, wobei der ringförmige Austrittsquerschnitt der Wasserdüse (5) durch einen axial verstellbaren Steuerkolben (6) veränderbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heißdampf-Stellorgan eine axial bewegliche Stellspindel (10) aufweist, die an den Steuerkolben (6) ankoppelbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellspindel (10) erst kurz vor Erreichen des drosselseitigen Endes des Verstellwegs am Steuerkolben (6) angreift und diesen in Drosselstellung bewegt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkolben (6) einen Schaft (7) aufweist, der axial aus dem Düsenstock (3) herausgeführt ist und das Heißdampf-Stellorgan (10) Mittel (11) aufweist, die axial gegen den Schaft (7) bewegbar sind.

5. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkolben (6) in Öffnungsstellung federbelastet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Wasserdüse (5) sich nach vorn zur Düsenöffnung konisch verjüngt, wobei der zylindrische Steuerkolben (6) koaxial im Düsenstock (3) axial verschiebbar gelagert ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfdüse (4) als die Wasserdüse (5) koaxial umgebende Ringdüse ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfdüse (4) einen Drallkörper mit tangential zu einer Schraubenlinie verlaufenden Drallkanälen aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenstock (3) auf der Sitzbuchse (9) der Stellspindel (10) angebracht ist.