DE2344243C2

DE2344243C2 - Dampfstrahlpumpe

Info

Publication number: DE2344243C2
Application number: DE2344243A
Authority: DE
Inventors: Lucien Yehuda Rehovoth Bronicki
Original assignee: Ormat Turbines Ltd
Current assignee: Ormat Industries Ltd
Priority date: 1972-09-05
Filing date: 1973-09-01
Publication date: 1985-07-11
Also published as: JPS5624800B2; IT994182B; AR199684A1; CA985098A; BR7306738D0; DE2344243A1; IL40296A0; AU5995973A; JPS49133904A; IL40296A; BR7206738D0; FR2274203A5; GB1431955A; IN137689B; AU473046B2; DE2366607C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Dampfstrahlpumpe zum Fördern von Flüssigkeit mit einer Lavaltreibdüse und einem durch eine Zwischenwand \'nterteilten Gehäuse, wobei sich durch die Zwischenwand eine dampfdurchströmte Düse erstreckt und zwischen Zwischenwand und Außenwand der Düse eine Ringöffnung zum Durchtritt der zu fördernden Flüssigkeit vorgesehen ist, die oberhalb der Zwischenwand in die Pumpe eintritt, wobei die Flüssigkeit einen Flüssigkeitsmantel um den sich entspannenden Dampfstrahl bildet, der innerhalb dieses Mantels kondensiert.

Vorgefertigte stromerzeugende Anlagen, die nach dem Clausius-Rankine-Kreisprozeß arbeiten und geeignet sind, in abgelegenen, unbemannten Einrichtungen, etv/a in Nachrichtenübermittlungsstationen benutzt zu werden, die nur selten aufgetankt und gewartet werden, müssen selbststartend und so effektiv und betriebssicher wie möglich sein. Ein derartiges. System ist in der US-PS 33 93 515 beschrieben.

Bei solchen Anlagen ist es notwendig, den entspannten Dampf nach seiner Kondensierung wieder in den Kessel zu befördern. Dies kann entweder durch hydrostatischen Druck oder aber durch eine besondere Kesselspeisepumpe erreicht werden. Dabei ist es bekannt, als Kesselspeisepumpen Dampfstrahlpumpen zu verwenden (Buch »Pumpen für Flüssigkeiten«, herausgegeben von W Pohlenz, VEB Verlag Technik Berlin, Seite 323 bis 327). Diese Pumpen haben gegenüber den in der US-PS 33 93 515 beschriebenen mechanischen Pumpen den Vorteil des einfacheren Aufbaus, während gegenüber dem Fall der hydrostatischen Druckerzeugung der Vorteil besteht, daß die Anlage nicht eine beträchtliche Bauhöhe (mehrere Meter) haben muß. Ein Nachteil besteht aber darin, daß die Dampfstrahlpumpen immer noch geregell werden müssen, v/enn die Leistung und damit der Kondensatanfall der Anlage variiert.

Eine Dampfstrahlpumpe zeichnet sich durch sehr einfache Konstruktion und Arbeitsweise aus und besitzt eine hohe thermische Effektivität Der Nachteil bei konventionellen Dampfstrahlpumpen besteht aber darin, daß sie nur bei genau definierten Betriebsbedingungen 5 optimal arbeiten.

Die Dampfstrahlpumpe muß daher zum Beispiel durch Einstellung einer Düsennadel jeweils genau auf die vorhandenen Betriebsbedingungen eingt stellt werden. Dies erfordert bei schwankenden Betriebsbedingungen aufwendige Regelungsmechanismen, die störungs- und reparaturanfällig sind. Verzichtet man dagegen auf solche Regelung, so arbeitet die Dampfstrahlpumpe häufig unter ungünstigen Betriebsbedingungen mit dem Nachteil geringeren Wirkungsgrades, was den

Id Brennstoffverbrauch erhöht und/oder die Betriebssicherheit der Anlage nachteilig beeinflußt

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer einfach aufgebauten Dampfstrahlpumpe, die sich automatisch wechselnden Betriebsbedingungen anpaßt Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von einer Pumpe der eingangs genannten Art mit der allerdings ein Gas und keine Flüssigkeit gefördert werden soll; die Flüssigkeit dient lediglich als Hilfsflüssigkeit; auch wird der Druck dieser Hilfsflüssigkeit nicht wesentlich erhöht (DE-PS 4 48 144).

Um eine Speisepumpe oder eine Pumpe für ähnliche Zwecke zu erhalten, durch die der Druck der geförderten Flüssigkeit erhöht wird und die die Aufgabe der Erfindung löst, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die sich durch die Zwischenwand erstreckende Düse eine Lavaltreibdüse ist, die an ihrem unteren Rand einen Flansch aufweist, der eine ringförmige Senke für die aus der Ringöffnung ablaufende Flüssigkeit bildet, und daß das Gehäuse ein nach unten sich konisch verjüngendes Ablaufrohr zur Aufnahme des Flüssigkeitsmantels aufweist.

Bei dieser Anordnung erhält man einen besonders gut ausgebildeten, weitgehend geschlossenen Flüssigkeitsmantel. Dabei ändert sich der Kegelwinkel des Flüssig- keitsmantels, der über den Flansch abfließt. Bei einer Last, die geringer ist als Vollast, wird der Massenfluß der Arbeitsflüssigkeit relativ niedrig und der Kegelwinkel des Flüssigkeitsmantels relativ groß sein. Arbeitet das System dagegen mit Vollast so ist der Massenfluß relativ groß und der Kegelwinkel des Flüssigkeitsmantels dementsprechend kleinen

Die Flüssigkeit wird dabei in das sich konisch verjüngende Ablaufrohr getrieben, wo sie abgebremst wird, wodurch ein Staudruck erzeugt wird, mit Hilfe dessen die Flüssigkeit zum Beispiel in utr eingangs erwähnten Anlage in den Kessel zurückgeführt werden kann.

Dabei kann zum Beispiel bei der Anwendung in der beschriebenen Anlage zur Gewinnung mechanischer Energie der Prozentsatz des erzeugten Dampfes, der nicht der Turbine, sondern der Düse zugeführt wird, immer der gleiche sein.

Die Ausbildung des Flüssigkeitsmantels wird noch verbessert, wenn die Zwischenwand eine Senke bildet, die an ihrer zur Düse gerichteten Innenseite von einem erhöhten Rand begrenzt ist. In diesem Falle läuft die Flüssigkeit über zwei Senken ab.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist beispielhaft in der Abbildung in Form eines Blockdiagramms dargestellt, das eine Anlage zur Erzeugung von mechanischer Energie mit Hilfe des Clausius-Rankine-Kreisprozesses zeigt.

Mit der Bezugsziffer 10 ist in der Abbildung ein vorgefertigtes Kraftwerk bezeichnet, das mit einem Clausi-

us-Rankine-Kreislauf arbeitet, der eine organische Arbeitsflüssigkeit verwendet Diese Flüssigkeit wird in einem Kessel 11 mit Hilfe eines Brenners 12 erwärmt, der mit Brennstoff von einem Tank 13 gespeist wird. Üblicherweise besteht ein derartiger Brennstoff aus verflüssigtem Gas, das unter hohem Druck in dem Brennstofftank gehalt« η wird.

Die Arbeitsflüssigkeit wird in einen Dampf bei einem relativ hohen Druck im Kessel 11 überführt und der größte Teil hiervon, etwa 99%, wird in eine Turbine 14 geleitet, wo er entspannt und die Turbine und einen daran angeschlossenen Generator, der die Last 15 der Turbine bildet, in Drehung versetzt Die Turbine ist mit einem geschlossenen Kondensator 16 verbunden, in dem Kondensation stattfindet, wodurch ein flüssiges Kondensat erzeugt wird, das in den Kessel mit Hilfe einer Strahlpumpe 17 zurückgeführt wird, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist Der Zweck der Strahlpumpe besteht darin, das flüssige Kondensat, das bisher den Turbinenrückseitendruck aufweist, mit Druck za beaufschlagen, so daß das flüssige Kondensat nach der Strahlpumpe in den Kessel eintreten kann.

Die Strahlpumpe 17 erzielt dieses Ergebnis über einen weiten Bereich von Massendurchflußmengen der Arbeitsflüssigkeit und ohne die Notwendigkeit irgendwelcher HilfsSteuerungen, um ihre Betriebscharakteri-Sitik funktionell in Relation zu der Last, mit der die Turbine beaufschlagt ist, zu setzen. Die Strahlpumpe 17 weist ein Gehäuse 18 auf, das eine geschlossene Kammer mit zentralen öffnungen 18a und 186 im oberen b;zw. unteren Teil besitzt, wobei im Inneren des Gehäuses 18 eine ringförmige Senke 19, eine spezielle Düse 20, die zentral in dem Behälter 18 angebracht ist. ein Ablaufrohr 21, das mit dem Boden des Behälters 18 mit der öffnung 186 ausgerichtet angebracht ist, und ein Auslaß- oder Diffusorrohr 22 aufweist, das mit dem Ablaufrohr 21 verbunden ist. Eine geeignete Leitung 23, die mit der öffnung 18a und dem oberen Teil des Gehäuses 18 ausgerichtet und verbunden ist, verbindet die obere Kammer 24 t^es Gehäuses 18 mit dem Kondensator und dem Turbinenausgang, wobei der Druck in der oberen Kammer ajf dem rückseitigen Druck des Systems gehalten wird. Die Senke 19 ist ringförmig ausgebildet, wobei ihr äußerer Durchmesser gleich dem inneren Durchmesser des Gehäuses 18 ist, an dem sie in der Mitte desselben befestigt ist, wodurch die Pumpe in eine obere Kammer 24 und eine untere Kammer 25 geteilt wird. Der periphere Rand 26 an der Senke 19 bildet eine mittlere Öffnung 27. die die obere und untere Kammer miteinander verbindet.

In dent Gehäuse 18 endet eine Leitung 28, die mit dem SainmclgefcB des Kondensators 16 zu dem Zweck verbunden ist, um das flüssige Kondensat mit niedrigem Druck von dem Sammelraum in die Senke 19 zu führen, von wo aus die Flüssigkeit über den Rand 26 in die unlere Kammer 25 überläuft.

Mittig ist in dem Behälter 18 eine Düse 20 angeordnet, die ein Kopfstück 30 aufweist, das mit Dampf von dem Kessel 11 über eine geeignete Leitung 29 gespeist wird, und ein abwärts gerichtetes Entspannungsrohr 31 besitzt, das sich durch die mittlere Öffnung 27 erstreckt lind in der unteren Kammer 25 in einem auswärts gerichteten umlaufenden Flansch 32 endet, der unterhalb der Lippe 26 der Senke 19 angeordnet ist. Der Flansch 32, der das flüssige kondensat, das über die Senke überläuft, auffängt, besitzt einen abgerundeten Umriß, der weich in die Innenfläche il-es Rohrs 31 übergeht, in dem sich Dampf aus dem Kopfstück 30 entspannt. Das aufwärts gerichtete freie Ende des Flansches 32 bildet eine ringförmige tassenartige Senke, die dazu dient, die von der Senke Ί9 überfließende Flüssigkeit zu sammeln, una die als ein zeitweiliges Reservoir dient, von dem flüssiges Kondensat sanft über den Flansch in einen kontinuierlichen, sich peripher erstreckenden, konkav ausgebildeten Flüssigkeitsmantel 33 überführt werden kann, der eine ringförmige Hülle bildet, die in ihrem Inneren den aus dem Rohr 31 austretenden, sich entspannenden Dampf enthält, der die Flüssigkeit beschleunigt wobei sich der Flüssigkeitsmantel nach unten hin verjüngt Unterhalb des Ablaufrohrs und damit verbunden ist ein divergierendes Auslaß- oder Diffusorrohr 22, das es ermöglicht den Strom zu verlangsamen, indem sein Geschwindigkeitsgefäile in einen Staudruck überführt wird, der ausreicht die Flüssigkeit durch ein Rückschlagventil 50 zu drücken und in den Kessel zum erneuten Durchlaufen des Kreislaufs einzuführen.

Der Kegelwinke! des Flüssigkeitsmantels, der über den Flansch 32 strömt ist in der Zeichnung mit dem Buchstaben α bezeichnet: dieser Win..:-1 ändert sich automatisch im umgekehrten Verhältnis «aim Massendurchfluß der Arbeitsflüssigkeit. Bei geringen Belastungen wird der Massendurchfluß relativ klein und der Kegelwinkel relativ groß sein, wie durch gestrichelte Linien in uer Zeichnung angedeutet ist Wenn die Last anwächst, steigt der Massendurchfluß und bewirkt daß der Kegelwinkel zusammen mit einem entsprechenden Anwachsen des ringförmigen Querschnitts des Flüssigkeitsmantels abnimmt Der Strom trifft auf diese Weise an einer weiter unten gelegenen Stelle als vorher auf die sich konisch verjüngenden Wände des Ablaufrohrs 21. Diese Anordnung liefert die selbstregulierende Kompensation, die entscheidend für den sicheren Betrieb einer Einrichtung des beschriebenen Typs an einer entfernt gelegenen Stelle ist.

In der bevorzugten Ausführungsform nimmt die Leitung 28, durch die die obere Kammer des Behälters auf dem rückwärtigenDruck des Systems gehalten wird, die Leitung 23 auf, durch die flüssiges Kondensat in die Karrmer 24 geführt wird. Dabei ist die Leitung 28 zentral in der größeren Leitung über eine Entfernung, die so groß wie möglich ist angeordnet, um zu vermeiden, daß flüssiges Kondensat unter extrem kalte.i Umgebungstemperaturen gefriert.

Es wird ferner bevorzugt, daß die Beziehung zwischen der Anordnung der Pumpe 17 auf der einen Seite und des Kessels, des Kondensators und der Turbine auf der anderen Seite folgendermaßen ist:

Die Pumpe sollto über dem Kessel angeordnet sein, so daß beim Abschalten darin befindliche Flüssig keit in den Kessel autgrund der Schwerkraft fließt. Der Kondensateinlaß zur Pumpe sollte unterhalb der Lager 49 der Turbine und die Lage·· selbst sollten unterhalb des Kondensators angeordnet sein, so daß das Kondensat aufgrund der Schwerkraft vom Kondensator durch die Lager in die Senke 19 der Pumpe flie Ot. Eine Folge dieser Anordnung besteht drrm, daß das System sel'oststartend ist. da sämtliche Flüssigkeit beim Abschalten in den Kessel fließt, so daß die Lager trocken sind

Bei einigen organischen Arbeitsflüssigkeiten ist die Umgebungstemperatur, dem das System ausgesetzt wird, derart, daß die gesamte Flüssigkeit sich im gefrorenen Zustand im Kessel befindet. Kein gefrorenes Material wird den Dampfstrom beim Starten blockieren

oder in den Lagern vorhanden sein, um eine Rotation der Turbine zu behindern oder unmöglich zu machen.

Beim Starten wird der Kessel mit Wärme beaufschlagt, wodurch im letzteren Dampf erzeugt wird, der anfänglich durch die Turbine strömt, ohne diese zu drehen. Wenn der anfängliche Dampf kondensiert, läuft er in die Lager und in die Pumpe 17. Wenn genügend Dampf erzeugt ist, um die Turbine in Rotation versetzen zu können, sind die Lager bereits genügend geschmiert. Weiterhin wird ein Flüssigkeitsmantel 33 in der Pumpe to vorhanden sein, der zu arbeiten beginnt, wenn der Arbeitsflüssigkeitsstrom anwächst.

Obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit einem geschlossenen Kreislaufsystem, das mit einem Clausius-Rankine-Kreislauf und einer organischen Arbeitsfiüssigkeit arbeitet, beschrieben wurde, kann die Erfindung auch auf andere Systeme und andere Arbeitsflüssigkeiten Anwendung finden. Beispielsv/eise ist die Erfindung auf eine Wasserpumpe anwendbar, in welchem Falle Wasserdampf in der Düse entspannt werden würde.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Dampfstrahlpumpe zum Fördern von Flüssigkeit mit einer Lavaltreibdüse und einem durch eine Zwischenwand unterteilten Gehäuse, wobei sich durch die Zwischenwand eine dampfdurchströmte Düse erstreckt und zwischen Zwischenwand und Außenwand der Düse eine Ringöffnung zum Durchtritt der zu fördernden Flüssigkeit vorgesehen ist, die oberhalb der Zwischenwand in die Pumpe eintritt, wobei die Flüssigkeit einen Flüssigkeitsmantel um den sich entspannenden Dampfstrahl bildet, der innerhalb dieses Mantels kondensiert, dadurch gekennzeichnet, daß die sich durch die Zwischenwand (19) erstreckende Düse (20) die Lavaltreibdüse ist, die an ihrem unteren Rand einen Flansch (32) aufweist, der eine ringförmige Senke für die aus der Ringöffnung (27) ablaufende Flüssigkeit bildet, und daß das Gehäuse (18) ein nach unten sich konisch verjüngendes Ablaufrohr (21) zur Aufnahme des Flüssigkeitsmantels aufweist

2. Dampfstrahlpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenwand eine Senke (19) bildet, die an ihrer zur Düse (20) gerichteten Innenseite von einem erhöhten Rand (26) begrenzt ist.