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Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Dampf für industrielle
Zwecke Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von
Dampf für industrielle Zwecke.
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Bei der Erzeugung von Dampf in industriellem Maßstab wird gewöhnlich
ein mit Wasser gefüllter Kessel, beispielsweise Steilrohr- oder Schrägrohrkessel,
durch eine Befeuerung erhitzt, bei der ein Brennstoff in offener Flamme verbrannt
wird und die dadurch erzeugte Wärme die wassergefüllten
Kesselrohre
sowie die Rauchgase aufheizt, die die Kesselrohre umspülten. Der bei Erreichung
der Siedetemperatur des Wassers entstehende Dampf wird dem Kessel entnommen und
zur Arbeitsleistung verwendet, beispielsweise zum Antrieb von Maschinen.
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In diesem Zusammenhang ist auch bekannt, einen solchen Arbeitsdampf
zu überhitzen oder durch Einspritzen von Wasser abzukühlen.
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Der Nachteil der mit Kesseln der genannten Art durchgeführten Dampferzeugung
ist insbesondere darin zu sehen, daß die Kessel aufgrund der Trägheit ihres Feuerungsmechanismus
in der Verdampfungsleistung nur schlecht an einen verhältnismäßig häufig sich ändernden
Dampfbedarf angepaßt werden können, daß sie ferner eine verhältnismäßig lange Anfahrzeit
benötigen und eine vergleichsweise große Wassermenge bei Siedetemperatur speichern
müssen, wodurch unter Umständen erhebliche Wärmeverluste auftreten, die nur dann
vermieden werden können, wenn eine wiederum kostenaufwendige Wärmeisolierung des
ganzen Kessels vorgenommen wird.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, bei einem Verfahren
zur Dampferzeugung, bei dem ein Gemisch aus Luft und Wasser mit einem erhitzten
Körper in wärmeleitende Berührung gebracht und die in der Luft enthaltenen Wassertröpfchen
verdampft werden, die Dampferzeugung rationeller zu gestalten und vor allem die
Erzeugung in einer Weise zu beschleunigen, die eine rasche Anpassung an einen schnell
wechselnden Dampfbedarf in industriellem Maßstab ermöglicht, ohne daß dadurch der
bisher bei der Dampferzeugung erreichte Wirkungsgrad gemindert wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Wasser
mit Hilfe von Druckluft zu feinen Tröpfchen zerstäubt wird, der in einem Verdampfer
mit heißen Verbrennungsgasen
eines entzUndeten Brennstoff-Luftgemisches
vermischt werden, wobei die Wassertröpfchen durch die entstehende Verbrennungswärme
verdampfen, und daß das entstandene Dampf-Gas-Gemisch aus dem Verdampfer zur weiteren
Verwendung entfernt wird.
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Erfindungsgemdß wird also das zu verdampfende Wasser mit Hilfe von
Druckluft zu feinen Tröpfchen zerstäubt, die von dem Vruckluftstrom mitgeführt und
mit einem entzündeten und brennenden Brennstoff-Luft-Gemisch vermischt werden, dessen
freiwerdende Verbrennungswdrme die im Luftstrom fein verteilten Wassertröpfchen
sofort verdampft, Die Verdampfung kann dabei infolge der Erwärmung der Verdampferwände
und der dadurch bedingten Wärmeabstrahlung jedenfalls teilweise bereits vor der
Vermischung mit dem Brennstoff-Luitgemisch erfolgen, In abhängigkiit von der Verweilzeit
des Dampfes innerhalb des Verdampfergehuuses und der im Verdampfergehäuse herrschenden
Temperaturen kann dabei auch die Möglichkeit einer Überhitzung des Dampfes gegeben
sein, so daß das entstehende Dampf-Gas-Gemisch, das aus der dafUr vorgesehenen Uffnung
des Verdampfergehduses entweicht, durch nachfolgende Entspannung zur Arbeitsleistung
in einer dafür vorgesehenen Einrichtung herangezogen werden könnte.
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Zur Durchführung dieses Verfahrens dient eine Vorrichtung, die ein
Verdampfergehöuse aufweist, mit wenigstens einer Dampf-Gas-Gemischaustrittsöffnung
und mit Abstand getrennten Wassertröpfchen-Luft Gemischeintrittsöffnungen, an die
sich je eine Druckluftkammer und ein in diese mündendes WassersprUhrohr anschließen,
dessen Mündung in einem verjüngten Bereich des Druckluftkammerquerschnitts liegt,
und ferner mit wenigstens einer Brennstoff-Luft-Gemischeintrittsöffnung, an die
sich eine Druckluftkammer und ein in diese mUndendes Brennstoffzuleitungsrohr anschließen,
dessen Mündung in einem verjüngten Bereich des Druckluftkammerquerschnitts liegt.
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Das Verdampfergehäuse kann, gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung
des Erfindungsvorschlags, kugelförmig ausgebildet sein, und die mit der Druckluft-EinstrUmrichtung
in den Vergaser zusammenfallenden Längsachsen der Druckluftkammern können radial
zur Mitte des kugelförmigen Verdampfergehäuses verlaufen, Zur besseren Durchmischung
des Wassertröpfchen-Luft-Gemisches mit dem Brennstoff-Luft-Gemisch lassen sich die
Druckluftkammern in Richtung auf die diesbezüglichen Gehäuseöffnungen trichterförmig
erweitern. In diesem Zusammenhang hat sich auch bewährt, die Brennstoff-Luft-Gemisch-Eintrittsöffnung
zwischen den Wassertröpfchen-Luft-Gemisch-Eintrittsöffnungen anzuordnen, und zwar
gleich weit entfernt von letzteren, Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in
der Zeichnung dargestellten AusfUhrungsbeispiels, das schematisch in geschnittener
Draufsicht ein kugelförmiges Verdampfergehause mit konzentrisch angeordnetem, kugelförmigem
Verdrdngungskörper und in das Gehäuse mündende Druckluftkammern zur Erzeugung eines
Wassertröpfchen-Luft-Gemisches und einer dazwischenliegenden Druckluftkammer zur
Erzeugung eines Brennstoff-Luft-Gemisches zeigt, beispielshalber näher erläutert.
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In dem kugelförmigen Verdampfergehäuse 1 ist konzentrisch ein kugelförmiger
VerdrängungskErper 2 angeordnet, der von der Innenwand 20 des Verdampfergehduses
mit Abstand getrennt ist, so daß zwischen Gehause und Verdrdngungskörper ein Dampfsammelraum
18 gebildet wird0 Das Verdampfergehäuse 1 ist mit einer Dampf-Gas-Gemisch-Austrittsöffnung
5 und zwei dieser Öffnung gegenüberliegenden Wassertröpfchen-Luft-Gemisch-Eintrittsöffnungen
6 versehen, zwischen denen sich eine Brennstoff-Luft-Gemisch-Eintrittsöffnung 7
befindet, die von den beiden letztgenannten Öffnungen gleich weit entfernt ist.
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An diese öffnungen schließen sich radial zum Mittelpunkt des kugelförmigen
Verdampfergehäuses ausgerichtete
Druckluftkammern 3, 4 an, von
denen die mit den Eintrittsöffnungen 6 verbundenen, beiden äußeren Kammern je ein
Wassersprührohr 8 aufnehmen, das in der Kammerlängsachse liegt und eine Mündung
9 aufweist. Die Druckluftkammer setzt sich aus einem sich zur Öffnung 6 hin trichterförmig
erweiternden Teil 12, einem sich daran anschließenden, verjüngten Teil 11 und einem
hinteren Teil 10 zusammen, die ein einheitliches Ganzes bilden, wobei sich die Wasserzuleitungsmündung
9 in dem verjüngten Teil il befindet. An den hinteren Teil 10 der Druckluftkammern
3 ist eine Druckluftzuleitung 19 angeschlossen.
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Die zwischen den beiden der Wassersprühnebel-Erzeugung dienenden Druckluftkammern
7 befindliche Druckluftkammer 4 entspricht ihrer Ausbildung nach den Druckluftkammern
3, nimmt aber anstelle eines Wasserspruhrohres ein Brennstoffzuleitungsrohr 13 auf,
dessen Mündung 17 ebenfalls in dem verjüngten Teil 15 der Druckluftkammer 4 liegt,
an den sich in Richtung auf das Verdampfergehäuse 1 und damit die Brennstoff-Luft-Gemisch-Eintrittsöffnung
7 ein sich trichterförmig erweiternder Teil 16 und in entgegengesetzter Richtung
ein hinterer Kammerteil 14 anschließt, der mit einer Druckluftzuleitung 21 verbunden
ist.
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Die Dampferzeugungsvorrichtung arbeitet wie folgt. Durch die Wassersprühleitungen
8 wird dem verjüngten Druckluftkammerteil 11 eine bestimmte, einstellbare Wassermenge
kontinuierlich zugeführt. In die Druckluftkammern 3 tritt durch die im hinteren
Kammerteil befindlichen Anschlußkanäle 19 ebenfalls in einer bestimmten, einstellbaren
Menge pro Zeiteinheit Druckluft ein, die durch den verjüngten Teil li in Richtung
auf die öffnung 6 strömt und dabei im Bereich der Mündung 9 einen Unterdruck erzeugt,
durch den das Wasser aus der Leitung 8 herausgerissen und dabei zu Tröpfchen zerstäubt
wird.
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Diese von dem Druckluftstrom in Richtung der Pfeile A und C mitgerissenen
Wassertröpfchen vermischen sich im Dampfraum
18 mit den heißen Gasen
des entzündeten Brennstoffs, der durch die Leitung 13 der mittleren Druckluftkammer
4 zugeführt wird und mit Hilfe des durch den Anschlußkanal 21 in den hinteren Kammerteil
14 eintretenden Druckluftstroms im Bereich der Mündung 17 aus der Leitung herausgerissen
wird, da dort aufgrund des verjüngten Kammerquerschnitts ein Unterdruck im Druckluftstrom
erzeugt wird. Eine nicht dargestellte Zündvorrichtung entzündet das Brennstoff-Luftgemischs
so daß im vorderen, sich zur Öffnung 7 trichterförmig erweiternden Kammerteil 16
der Druckluftkammer 4 eine Verbrennung stattfindet, deren heiße Abgase sich intensiv
mit den beidseitig auf den Verdrängungskörper 2 auftreffenden Wassertröpfchen -Luft-Gemisch-Strahlen
vermengen und dabei die mitgeführten Wassertröpfchen verdampfen.
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Das über der Oberfläche des Verdrängungskörpers 2 im Dampfraum 18
dadurch entstehende Dampf-Gas-Gemisch verteilt sich über den Verdampfergehäuse-Querschnitt
und strömt durch die Austrittsöffnung 5 ab, um einer weiteren Verwertung entgegengeführt
zu werden.
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Temperatur und Druck dieses austretenden Gemisches und damit auch
die Möglichkeit, das Gemisch zwecks Arbeitsleistung weiter zu entspannen, beispielsweise
in einer Dampfmaschine, hängen u.a. von der bei 17 aus der Zufuhrleitung 13 austretenden
und durch den Druckluftstrom zerstäubten Brennstoffmenge, der im Verdampfer bei
der Verbrennung erreichten Temperatur, die möglicherweise durch geeignete Isolierung
des Gehäuses i erhöht werden kann, ferner von Temperatur und Menge des mit Hilfe
der Druckluftströme zugeführten und zerstäubten Wassers und nicht zuletzt auch von
dem Druck ab, auf den die in die Druckluftkammern eingeleitete Druckluft entspannt
wird. Da dem Fachmann anheimgestellt ist, die erwähnten Parameter in der gewünschten
Weise einzustellen, indem er die den Druckluftkammern 3, 4 zugeführte Druckluft
hinsichtlich Menge, Druckhöhe und Temperatur sowie die durch
die
Mündungen 9 austretenden Wassermengen unter Umständen auch durch zusätzlichen Einbau
einer bei 9 nicht dargestellten Sprühdüse, und schließlich auch die zugeführte Brennstoffmenge
auf gewünschte Sollwerte einstellt und den ganzen Vorgang einer Regelung unterwirft,
lassen sich mit der beschriebenen Vorrichtung eine Vielzahl möglicher Bedingungen
für den durch die Austrittsöffnung 5 austretenden Dampf wählen. In diesem Zusammenhang
kann auch die Möglichkeit gegeben sein, die Druckluftzufuhr in einer oder mehreren
Kammern 3 4 auf null zu drosseln und das durch die Leitung 8 herangeführte Wasser
und/oder den durch die Leitung 13 herangeführten Brennstoff unter Druck durch eine
oder mehrere Sprühdüsen in Richtung der Pfeile A, B, C in den Dampfraum 18 einzusprühen,
wobei sich der versprühte Brennstoff unter Umständen auch selbst entzünden kann,
wenn die im Dampfraum 18 herrschenden Temperaturen die Zündtemperatur übersteigen.
Dabei ist auch daran zu denken, daß der kugelförmige Verdrängungskörper 2 als Wärmespeicher
dienen kann und dann die gespeicherte Wärme in Form von Strahlung in den Dampfraum
18 hinein abgiBt. Auch kann eine zusätzliche Überhitzung des im Verdampfergehäuse
i hergestellten Dampf-Gas-Gemisches durch einen der Austrittsöffnung 5 nachgeschalteten
Überhitzer erfolgen, falls dies erforderlich ist.