DE2926855A1

DE2926855A1 - Drehfluegelverdampfer

Info

Publication number: DE2926855A1
Application number: DE19792926855
Authority: DE
Inventors: Koichi Chino; Susumu Horiuchi; Hideichi Miura; Akira Oda; Yoshiyuki Takamura; Hideo Yusa
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-07-05
Filing date: 1979-07-03
Publication date: 1980-01-17
Also published as: JPS558547A; US4279692A; US4341595A; JPS5813835B2

Description

Beschreibung Die Erfindung betrifft einen Drehflüge1verdampfer.

Der Drehflügelverdampfer hat einen zylindrischen Behälter, dessen innere Umfangsflache erhitzt wird, sowie einen Rotor, der in dem zylindrischen Behälter angeordnet ist und wenigstens einen Flügel trägt. In Betrieb wird das zu behandelnde Material in flüssigem oder viskosem Zustand, d. h. die zu verdampfende und zu trocknende Substanz, gegen die erhitzte innere Umfangsflache des zylindrischen Behälters mittels des Flügels oder der Flügel des Rotors gedrückt und darüber verteilt, so daB ein Wärmeaustausch über der Wand des zylindrischen Behälters erfolgt, wodurch die Verdampfung der Substanz und ihre Trocknung beschleunigt wird.

Die genannte Verdampferkonstruktion kann vorteilhaft zum Trocknen und Verfestigen einer breiten Vielfalt von Substanzen eingesetzt werden. Ein typisches Beispiel ist der Abstrom aus einem Siedewasserreaktor, der Natriumsulphat als Hauptkomponente enthält.

Bisher hat man einen Drehflügelvsrdampfer vorgeschlagen, bei welchem für ein festes Andrücken einer Substanz gegen die innere Umfangsflache des Behälters zur Verbesserung des Wärmeaustauschwirkungsgrades zwischen der Substanz und der erhitzten Wand des zylindrischen Behälters und zur Erhöhung der Abstreif- oder Spülwirkung, die durch die äußeren Enden der Flügel ausgeführt wird, jeder Flügel schwenkbar an seinem inneren Ende mit einem Punkt am Rotor verbunden ist, der zur Drehachse des Rotors versetzt ist, so daß das Flügelende fest gegen die Innenfläche des zylindrischen Behälters durch die Zentrifugalkraft gedruckt wird, die beim Drehen des Rotors mit hoher Drehzahl erzeugt wird (Japanische Patentveröffantlichung Nr. 3B-6o74 bzw.

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6o74/1963, Fig. 9 bis 11). Bei dem bekannten Verdampfer ist jeder Flügel mit einem Gewicht versehen, um die auf den Flügel wirkende Zentrifugalkraft zu erhöhen.

Durch die Verwendung des Gewichtes bzw. der Nasse, das zur Erhöhung des Drucks beiträgt, mit welchem die zu behandelnde Substanz gegen die innere Umfangsflache des zylindrischen Behälters gedruckt wird, ergeben sich neue Probleme. So nimmt der Verschleißwert am äußeren Ende des Flügels infolge der Erhöhung des Andrucks zu, mit welchem das äußere Ende gegen die innere Umfangsflache des zylindrischen Behälters gedrückt wird, was zu einer häufigeren Erneuerung des Flügels dient. Die Häufigkeit der Betriebsunterbrechungen am VErdampfer nimmt zu, wodurch die Betriebszeit des Verdampfers in nachteiliger Weise reduziert wird.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, diese Nachteile auszuschließen und einen Drehflügelverdampfer zu schaffen, der einen größeren Einsatzzeitwert hat.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das radial äußere Ende eines jeden Flügels mit einem Gleitstück verbunden, welches sich in Umfangsrichtung über der inneren Umfangsflache des zylindrischen Behälters erstreckt.

Dadurch ist die Kontaktfläche, über welcher die innere Umfangsfläche der ^ylinderoberflache mit jedem Drehflügel in Kontakt steht, vergrößert, wobei dementsprechend der Oberflächenandruck, also die pro Flächeneinheit wirkende Preßkraft, die auf das Flügelende wirkt, verringert ist, wodurch der Verschleißwert des Flügels, also die Stärkenabmessung der Abnutzung pro Zeiteinheit, reduziert wird.

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Die Häufigkeit der Erneuerung von Flügeln wird dadurch beträchtlich verringert, daß an jedem Flügel das sich in Umfangsrichtung erstreckende Gleitstück befestigt ist. Da die Kraft, mit welcher das Flügelgleitstück gegen die innere Umfangsfläche des zylindrischen Behälters gedrückt wird, umgekehrt proportional zur Steigerung des Verschleißes abnimmt, ist es erforderlich, den Flügel zu erneuern, wenn er über eine vorgegebene Verschleißgrenze hinaus abgenutzt ist. Um die Häufigkeit dieser Erneuerung der Flügel weiter zu reduzieren, ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung jeder Flügel mit einem Ausgleichsgewicht versehen, das so wirkt, daß unabhängig vom Verschleiß am Gleitstück eine konstante Kraft aufrechterhalten wird, mit welcher das Flügelende gegen die innere Umfangsflache des zylindrischen Behälters gedruckt wird.

Wenn der Drehflügelverdampfer einen axial langgestreckten zylindrischen Behälter und einen mehrstufigen Rotor aufweist, auf dem eine Vielzahl von Flügeln in einer Vielzahl von Stufen angeordnet ist, wobei die Stufen in axialer Richtung vorgesehen sind, ändert sich der Koeffizient der kinematischen Viskosität der der Verdampfungsbehandlung ausgesetzten Substanz über einem weiten Bereich bei fortschreitender Behandlung, d. h. in Axialrichtung des Rotors, was nachstehend noch erläutert wird. Dies hat zur Folge, daß der Verschleiß der Flügel bei der Vielzahl von Stufen unterschiedlich und in Axialrichtung des Rotors nicht gleichförmig ist, vorausgesetzt daß die Andrückkraft, die auf die Flügel aller Stufen wirkt, gleich ist. Dies führt dazu, daß die Flügel einer bestimmten Stufe bis zu einem die Erneuerung erfordernden Ausmaß abgenutzt sind, während die Flügel anderer Stufen nicht so weit verschlissen und noch einsatzfähig sind. Die Unterbrechung des Betriebs des Verdampfers infolge des Verschleißes der Flügel in nur einer Stufe, während die Flügel der anderen Stufe noch wirksam sind, ist nachteilig, da dadurch die Betriebszeit des Verdampfers verringert wird.

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GemäB einem weiteren Merkmal der Erfindung wird deshalb ein Drehflügelverdampfer geschaffen, der einen Rotor hat, welcher so gebaut ist, daß ein im wesentlichen gleichförmiger Verschleiß der Flügelgleitstücke der Flügel über allen Stufen gewährleistet wird.

Gewöhnlich wird der schnellste Verschleiß der Flügel in der Stufe beobachtet, die sich in einem Bereich befindet, wo die zu behandelnde Substanz sich im flüssigen Zustand befindet. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind deshalb die Umfangsabmessungen der Gleitstücke der Flügel in dieser Stufe größer als diejenigen der Flügel in anderen Stufen, so daß die Anpreßkraft pro Flächeneinheit verringert wird, wodurch der Verschleißwert reduziert wird. Alternativ kann bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung die Positionsbeziehung zwischen den Flügeln und den zugeordneten Ausgleichsgewichten in Axialrichtung derart geändert werden, daß die Gleitstücke der Flügel in der Stufß innerhalb des Flüssigbereichs einer minimalen Andrückkraft ausgesetzt werden.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein Drehflügelverdampfer mit einem zylindrischen Behälter und einem darin drehbaren Rotor. Der Rotor hat Flügelhalterungen, die an der Rotorwelle befestigt sind, sowie Flügel, von denen jeder schwenkbar an seinem radial inneren Ende an einer Flügelhalterung sitzt, während sein radial äußeres Ende mit einem Gleitstück verbunden ist, das sich in Umfangsrichtung des Behälters erstreckt. Jeder Flügel ist mit einem Ausgleichsgewicht versehen, das unabhängig vom Verschleiß des Gleitstücks die Andrückkraft konstant hält, die das Gleitstück gegen die innere Umfangsflache des Behälters drückt. Die Rotorflügel sind in einer Vielzahl von sich in Axialrichtung des Rotors erstreckenden Stufen angeordnet. Der Rotor ist so gebaut, daß der Verschleiß der Gleitstücke über allen Stufen gleichförmig gehalten wird, wodurch die Häufigkeit einer Unter-

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brechung des Verdampferbetriebs zur Erneuerung der Flügel reduziert und die Betriebseinsatzzeit des Verdampfers verbessert wird..

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen :

Fig. 1 perspektivisch teilweise aufgebrochen eine erste Ausführungsform eines Drshflügelverdampfers,

Fig. 2 einen Querschnitt eines typischen Flügels in dem Verdampfer zur Veranschaulichung der auf den Flügel wirkenden Kraftvektoren,

Fig. 3 in einem Diagramm die Beziehung zwischen der an dem Flügel wirkenden Andrückkraft und dem Verschleiß des an dem Flügel befestigten Gleitstücks,

Fig. 4 in einem Diagramm die Beziehung zwischen dem Winkel Bo und einer in Fig. 2 gezeigten Kraft F₂*

Fig. 5 einen mit einem Gewicht versehenen, zum Stand der Technik gehörenden Flügel,

Fig. 6 perspektivisch einen in dem Verdampfer von Fig. 1 verwendeten Flügel,

Fig. 7 einen Axialschnitt durch den Verdampfer, um zu zeigen, wie die Verdampfung und Trocknung fortschreitet, wenn die Substanz in Axialrichtung des Verdampfers fließt,

Fig. θ in einem Diagramm die Beziehung zwischen der Änderung des Koeffizienten der kinetischen Viskosität der Substanz in Axialrichtung des Verdampfers und der Änderung des VerschleiBwertes der Flügel in der gleichen Richtung, wenn die Flügel einer Vielzahl von Stufen den gleichen Andrückkräften ausgesetzt werden,

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Fig. 9 in einem Diagramm die Beziehung zwischen der Änderung des Koeffizienten der kinetischen Viskosität der Substanz in Axialrichtung des Verdampfers und der Änderung des Verschleißwertes der Flügel in der gleichen Richtung, wenn die Andruckkräfte auf die Flügel in Axialrichtung des Verdampfers geändert werden,

Fig. 1oA, 1oB und 1oC Teilquerschnitte längs der Linien XA-XA, XB-XB und XC-XC von Fig. 1, wobei alle Flügel bis auf einen zur Vereinfachung der Darstellung entfernt sind, und

Fig. 11A, 11B und 11C in Ansichten ähnlich Fig. 1oA, 1oB und 1oC bei einer weiteren Ausführungsform eines Verdampfers verwendete Flügel.

Der in Fig. 1 gezeigte Drehflügelverdampfer 1o hat einen im wesentlichen zylindrischen Behälter 12, in dessen Umfangsfläche im Oberteil ein Dampfauslaß 14 und ein Einlaß 16 für die zu behandelnde Substanz ausgebildet sind. Der obere Teil des Behälters 12 bildet eine Dampfkammer 18, die mit dem Dampfauslaß 14 in Verbindung steht. Die Umfangswand des Behälters 12 ist insgesamt zylindrisch an ihrem Abschnitt unter dem Niveau des Flussigkeitseinlasses 16. Konzentrisch zu dem zylindrischen Abschnitt des Behälters 12 ist ein zylindrischer Hantel 2o angeordnet, der damit zusammenwirkt, um dazwischen eine ringförmige Kammer 22 zu begrenzen. In die Ringkammer 22 wird ein Heizmedium über einen Einlaß 24 eingeführt, um die Umfangswand des Behälters 12 zu erhitzen. Das Heizmedium wird zu einer nicht gezeigten Quelle über einen Auslaß 26 zurückgeführt.

In dem Behälter 12 ist drehbar ein Rotor 3o angeordnet. Der Rotor 3o hat eine Welle 32, die sich im wesentlichen über der gesamten Länge des Behälters 12 erstreckt. Die Welle 32 ist an ihrem oberen und unteren Ende im Behälter 12 mittels nicht gezeigter Lager gelagert. Die Rotorwelle 32 trägt einen

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TropfensBparator 34, der am unteren Ende der Dampfkammer 16 angeordnet ist, sowie einen kegelstumpfförmigen Verteiler 36, der axial zu dem Einlaß 16 für die behandelte Flüssigkeit fluchtend ausgerichtet ist. Bei der gezeigten Ausführungsform ist der Rotor 3o als Mehrstufenrotor gebaut und hat an seinem Abschnitt unter dem Verteiler 36 eine Vielzahl von Flügeln, die in fünf Stufen in Axialrichtung des Rotors 3o angeordnet sind. Die Flügel sind an dem Rotor in der nachstehend beschriebenen Weise festgelegt.

Am unteren Ende des Behälters 12 ist ein sich nach unten konvergierender unterer Konus 2Ö befestigt, in dessen unterem Ende eine Abgabeöffnung 29 für die Substanz ausgebildet ist, die während des Verdampfens ausgetrocknet worden ist. Die von der Abgabeöffnung 29 abgeführte Substanz hat gewöhnlich die Form eines Pulvers oder Granulates.

Im folgenden soll der Verdampfungs- und TrocknungsprozeB eines Abstroms aus einem Siedewasserreaktor mittels des erfindungsgemäßen Verdampfers näher erläutert werden. Der Abstrom enthält radioaktive Substanzen, die in dem Behälter 12 durch den Einlaß 16 abgeführt werden. Der Abstrom wird von dem Verteiler 36 gleichförmig in Umfangsrichtung des Behälters 12 verteilt. Der auf diese Weise verteilte Abstrom strömt dann an der inneren Urnfangsflache des Behälters 12 nach unten und wird gegen die innere Umfangsoberfläche des Behälters 12 zur Bildung eines dünnen Flüssigkeitsfilms durch die Zentrifugalkraft gedrückt, die durch die Flügel 38 als Ergebnis der Rotordrehung erzeugt wird.

Die Umfangswand des Behälters 12 wird durch ein Heizmedium, beispielsweise durch Dampf von 17o°C,. der in die Ringkammer 22 über den HeizmediumseinlaB 24 zugeführt wird, erhitzt. Deshalb wird die erhitzte Flüssigkeit in Form eines dünnen Flüssigkeitsfilms auf die innere Umfangsoberfläche 12a des Behälters erwärmt und kondensiert, um eine Ableitung der gelösten Stoffe, wie Natriumsulfat, zu verursachen, damit

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eins Aufschlämmung gebildet wird.

Der Verdampfungs- und TrocknungsprozeB schreitet fort, wenn die zu behandelnde Substanz in dem Behälter 12 nach unten strömt. Die dann zu einer Aufschlämmung verdampfte Substanz wird in Feststoff umgeformt, der dann von der inneren Umfangsfläche 12a des Behälters 12 abgekratzt und durch die Flügel 38 der untersten Stufe der Flügel des Rotors 3o zu Pulver zerkleinert wird. Das Pulver wird durch die Pulverabgabeöffnung 29 abgeführt.

Jede Stufe von Flügeln an dem Rotor 3o hat eine Vielzahl von in Umfangsrichtung im Abstand angeordneten Flügeln 3Θ. In der Zeichnung ist jedoch jeweils nur ein Flügel für jede Stufe zur Vereinfachung gezeigt. Wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, sitzt jeder Flügel 38 schwenkbar mit seinem einen Ende über eine Flügelhalteeinrichtung 44 an einer Flügelhalterung, die von einem Ring 42 gebildet wird, der an der Welle 32 mittels Arme 4o festgelegt ist. Jede Halterung 44 hat einen Zapfen 46, der an dem Ring 42 befestigt ist, sowie einen Bund 48, der drehbar über den Zapfen 46 gepaßt ist. Ein Teil der Umfangsfläche des Bundes 48 ist bei 48a abgeflacht. Der Flügel 38 ist an seinem radial innenliegenden Ende mit der abgeflachten Oberfläche 48a durch Schweißen oder dergleichen festgelegt. Der HaupttBÜ des Flügels 38 hat eine flache Querschnittsform, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist. Das Gleitstück 38a bildet ein Stück mit dem radial außenliegenden Ende des Flügels 38 und erstreckt sich parallel zur inneren Umfangsfläche 12a des Behälters 12.

Wenn sich der Rotor 3o dreht, werden die Flügel 38 um die Achse 0 der Welle 32 gedreht. Dies hat zur Folge, daß eine Zentrifugalkraft f₁ auf jeden Flügel 38 ausgeübt wird, so daß das Gleitstück 38a des Flügels 38 gegen die innere Umfangsflache des Behälters gedrückt wird. Die Kraft F₁, die das Gleitstück 38a gegen die Oberfläche 12a drückt, kann durch folgende Gleichung ausgedrückt werden:

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r-

^F1

worin W. das Gewicht pro axialer Länge des Flügels 38, tP die Winkelgeschwindigkeit des Flügels um die Achse O, JL der Abstand zwischen dem Mittelpunkt A der äußeren Umfangsfläche des Gleitstücks 38a und der Achse B des Zapfens 46 der Halterung 44, d. h. der Mitte der Schwenkbewegung des Flügels 38, T₁ der Abstand zwischen der Mitte G. der Zentrifugalkraft, die auf den Flügel 38 wirkt, und der Achse O, r_? der Abstand zwischen der Achse B und dem Punkt G₁ und B₁ der Winkel ist, der zwischen der Linie BG₁ und der Linie DG₁ gebildet wird. Die Andrückkraft F₁ wirkt auf den Punkt A in der Richtung senkrecht zur Linie AB.

Andererseits kann die Kraft F₃, die durch das Gleitstück 38a des Flügels 38 auf die Behälteroberfläche 12a im Punkt A in der Richtung senkrecht zur inneren Umfangsflache 12a des Behäljbers 12 ausgeübt wird, d. h. in Richtung der Linie OA, durch folgende Gleichung ausgedüückt werden :

F₃ - F₁ cos C6 (2)

worin oC der Winkel zwischen der Richtung der Andrückkraft F₁ und einer Verlängerung der Linie OA ist.

Wenn die Umfangslänge des Gleitstücks 38a des Flügels 38 S ist, ergibt sich der Oberflächendruck, der von dem Gleitstück 38a auf die innere Umfangsflache 12a des Behälters pro axialer Längeneinheit des Gleitsüücks 38 ausgeübt wird, zu F /S. Wenn deshalb die Andrückkraft F₁ konstantgehalten wird, wird der Verschleißwert, d. h. die Stärkenreduzierung infolge des Abriebs, am Gleitstück 38a des Flügels 38 im umgekehrten Verhältnis zur Umfangslänge S das Gleitstücks verringert.

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Das Gesamtgewicht W. des Flügels als Ganzes erhöht sich durch die Anordnung des Gleitstücks 38a am radial auBenliegenden Ende des Flügels 38. Um eine Steigerung der Andrückkraft F^ zu vermeiden, die sonst infolge der Erhöhung des Gewichts W, herbeigeführt würde, wird das radial innenliegende Ende des Flügels 38 an dem Bund 48 der Halterung 44 an einer Stelle befestigt, die auf der Seite der Linie OB gegenüber dem Gleitstück 38a angeordnet ist, d. h. auf der linken Seite der Linie OB in Fig. 2. Durch diese Anordnung wird der Oberflächendruck, mit welchem das Gleitstück mit der inneren Umfangsflache 12a des Behälters in Berührung steht, trotz der Steigerung des Gewichtes W, infolge der Anordnung des Gleitstücks 38a verringert. Es bestätigt sich, daß der Verschleißwert des Flügels 38, der sonst eine Größenordnung von 4o mm pro Jahr aufweist, auf 8 mm pro Jahr verringert wird.

Aufgrund der beträchtlichen Reduzierung des Verschleißwertes am äußeren Ende des Gleitstücks wird die Häufigkeit der Erneuerung der Flügel vorteilhaft reduziert, so daß man eine erhöhte Einsatzzeit des Verdampfers 1o erhält. Dieser Vorteil wird einfach dadurch erreicht, daß am radial auBenliegenden Ende des Flügels ein Gleitstück angeordnet ist, welches sich in Umfangsrichtung des Behälters 12 erstreckt.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, ist ein Ausgleichsgewicht 5o an der äußeren Umfangsflache des Bundes 48 der Halterung 44 angebracht. Wenn sich der Rotor 3o um seine Achse 0 dreht, wird eine Zentrifugalkraft f~ auf das Ausgleichsgewicht 5o ausgeübt. Die Kraft F₂, die auf den Flügel 38 infolge dieser Zentrifugalkraft f_ wirkt, läßt sich durch folgende Gleichung ausdrucken:

-W^r-r-Cd sin Bo

F₂ -

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Worin W₇ das Gewicht pro axialer Länge der Ausgleichsmasse 5o, Γο der Abstand zwischen der Mitte G- und der Zentrifugalkraft, die auf das Ausgleichsgewicht 5o und die Achse 0 der Rotorwelle 32 des Rotors 3o wirkt, r. der Abstand zwischen den Punkten B und G₂ und Bg der Winkel zwischen der Linie OB und der Linie BG₂ ist.

Wenn der Flügel 38 mit dem Ausgleichsgewicht 5o versehen ist, ist die Kraft F, mit welcher das Gleitstück 38a des Flügels 38 gegen die innere Umfangsflache 12a des Behalters 12 gedruckt wird, die Summe der Kraft F,. aus der Gleichung (1) und der Kraft F- aus der Gleichung (3). Man erhält eine zusammengesetzte Kraft F₁ + F₂. Die Kraft F. ist umgekehrt proportional zur Steigerung des Verschleißes am Gleitstück 38a reduziert. Erfindungsgemäß wird jedoch die Kraft F- so geändert, daß sie die Reduzierung der Kraft F₁ kompensiert,- was durch den Verschleiß des Gleitstücks 38a des Flügels 38 verursacht wird, so daß die zusammengesetzte Kraft F, welche die Summe der Kräfte F₁ und F₂ ist, unabhängig vom Verschleiß am Gleitstück 38a konstantgehalten wird. Dies ist graphisch in Fig. 3 dargestellt. Man sieht die Beziehung zwischen den Kräften F₁ und F₂ sowie die usammengesetzte Kraft F und den Verschleiß des Flügels in mm, wenn die numerischen Werte und Faktoren bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform folgende Werte haben :

/» ■ 69 mm, r,. ^s 176 mm, r₂ ^a 4o mm, r₃ = 127 mm,

r₄ - 26 mm, W₁ ^s 2,ο kg/m, W₂ - 1,o kg/m,

6) » 42 rad/s, Anfangswert des Winkels B₁ = 23° Anfangswert des Winkels B₃ = 13°

Aus Fig. 3 sieht man, daß die Kräfte F₁ und F₂ allmählich abnehmen bzw. zunehmen, wenn der Verschleiß am Flügel 38 zunimmt. Die Abnahme und die Zunahme der Kräfte F₁ und F₂ ist derart, daß die zusammengesetzte Kraft F auf einem im wesentlichen konstanten Wert gehalten wird.

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Um die zusammengesetzte Kraft F₁ + F₂ auf einem im wesentlichen konstanten Niveau unabhängig von der Abnahme der Kraft F- infolge der Zunahme des Verschleißes des Gleitstücks 3Ba des Flügels 3B zu halten, ist eine wesentliche Forderung, daß die Kraft F2 zunimmt, wenn der Winkel B₃ abnimmt. Um dieser Forderung nachzukommen, muß der Winkel B- in einem Bereich von -9o bis +9o fallen, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist. Das heißt mit anderen Worten, daß es wichtig ist, das Ausgleichsgewicht 5o bezüglich des Flügels 38 so anzuordnen und zu fixieren, daß der Punkt G„ sich auf der Seite einer Linie P befindet, die an die Achse G des Rotors angrenzt, wobei die Linie P sich durch den Punkt P erstreckt und senkrecht zur Linie OB ist.

Es hat sich gezeigt, daß die Lebensdauer des Flügels 3Θ, der mit dem Ausgleichsgewicht 5o versehen ist, etwa 3,5 mal so lang ist wie die eines Flügels, der nur das Gleitstück 38a aufweist, jedoch kein Ausgleichsgewicht. Durch die Anordnung des Ausgleichsgewichtes erhält man noch einen weiteren Vorteil, Durch das Ausgleichsgewicht wird es möglich, nicht nur die Andrückkraft F auf einen Wert einzustellen und zu fixieren, der geeignet ist, eine Belagbildung aus den behandelten Substanzen zu verhindern, wobei diese an der inneren Umfangsfläche 12a des Behälters 12 anhaften, sondern auch die Kraft F auf den fixierten Wert während eines langen Betriebszeitraums der Flügel aufrechtzuerhalten.

Fig. 5 zeigt die Positionsbeziehung zwischen dem Flügel' 81 und dem Gewicht 85 von Fig. 1o der erwähnten japanischen Patentveröffentlichung 3B-6o74. Bei diesem Stand der Technik liegt die Mitte der auf das Gewicht 85 wirkenden Zentrifugalkraft radial außerhalb einer Linie, die durch die Mitte der Schwenkachse Bo des Behälters 81 geht, und ist senkrecht zu einer Linie, welche die Schwenkachse 80 und die Achse der Rotorwelle 78 verbindet. Bei diesem Stand der Technik ist deshalb die auf den Flügel wirkende Anpreßkraft F (F,f F₂)

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drastisch verringert, wenn der Flügel verschlissen ist, so daß eine häufige Erneuerung der Flügel erforderlich wird, was eine Absenkung der Betriebszeit des Verdampfers ergibt.

Fig. B zeigt perspektivisch einen Flügel 38, wie er in dem Verampfer 1o von Fig. 1 verwendet wird. Der Flügel 3Ö hat zwei Öffnungen 38b, die in dem flachen stegartigen Abschnitt zwischen dem Gleitstück 38a und dem radial innenliegenden Rand des Flügels 38 ausgebildet sind, um das Gewicht des Flügels^ zu reduzieren. Das verringerte Gewicht eines jeden Flügels 38 ermöglicht es, daß die Durchmesser des Zapfens 46 und des Bundes 48 der Halterung für die Schwenkbefestigung eines jeden Flügels an dem Ring 42 verringert werden. Dies ermöglicht wiederum die Anzahl der Flügel 38 zu erhöhen, die an einem gemeinsamen Ring 42 angebracht werden können, d. h. der Anzahl der Flügel, die in einer einzigen Flügelstufe installierbar sind, wodurch die Leistung des Verampfers verbessert werden kann.

Man weiß, daß die Stärke eines Flüssigkeitsfilms, der an einer vertikalen Wand fließt, proportional zur dritten Wurzel aus dem Viskositätskoeffizienten der Flüssigkeit ist. Deshalb wird die Stärke der an der inneren Umfangsflache des Behälters des Drehflügelverdampfers strömenden Flüssigkeit allmählich gesteigert, da die Dichte der Flüssigkeit und dementsprechend der Viskositätskoeffizient erhöht werden, wenn die Flüssigkeit nach unten strömt.

Der Prozeß zum Verdampfen und Kondensieren der Flüssigkeit in dem Drehflügelverdampfer 1o wird anhand von Fig. 7 erläutert, wobei die zu behandelnde ausgewählte Flüssigkeit der Ausfluß aus einem Siedewasserreaktor sein soll.

Die zu behandelnde Flüssigkeit wird in den Behälter 12 über den Flüssigkeitseinlaß 16 eingeführt und strömt nach unten an der inneren Umfangsflache 12a des Behälters. Die Flüssig-

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keit wird bis zum Siedepunkt erhitzt, während die Flüssigkeit an der inneren Umfangsflache 12a des Behälters nach unten strömt. Danach wird die Flüssigkeit infolge Verdampfung kondensiert. Die zu behandelnde Flüssigkeit hat die Form einer wässrigen Lösung, obwohl der Prozentsatz an Natriumsulphat in der Lösung unter dem Sättigungspunkt bleibt. Der Lösungszustand ist in dem Bereich H in Fig. 7 vorhanden. Wenn die Lösung zum Übersättigungszustand kondensiert wird, wird ein Teil des Natriumsulphates in der Lösung unter Bildung eines Feststoffes L abgeführt, so daB die Lösung allmählich zu einer Aufschlämmung wird, die in einem Abzugsbereich I vorhanden ist. Der Koeffizient der kinematischen Viskosität der zu behandelnden Flüssigkeit, der auf einem niedrigen Wert von 1 m Pa s am FlüssigkeitseinlaB 16 ist, nimmt drastisch

auf Io m Pa s zu, wenn die Flüssigkeit die Form der Aufschlämmung annimmt, wie dies durch die Kurve X in Fig. 8 gezeigt ist, so daß die Stärke der Flüssigkeit dementsprechend erhöht wird.

Wenn das zu behandelnde Material weiter kondensiert, ändert sich der Stoffzustand vom flüssigen Zustand in einen Zustand, in welchem der abgezogene Feststoff, der noch naß ist, fortlaufend existiert. Dieser Bereich ist der Trocknungsbereich Im Trocknungsbereich J wird der Feststoff, nämlich Natriumsulphat, der in dem Abzugsbereich I abgezogen worden ist, in Pulver umgefortm, das unter dem Einfluß der Schwerkraft vom Behälter 12 ausfällt.

Im Lösungsbereich H existiert die gesamte zu behandelnde Substanz in Form einer Lösung K, während im Auszugsbereich I die Lösung K und der Feststoff L zusammen existieren. Im Trocknungsbereich J hat das zu behandelnde Material die Form des Pulvers M.

Wenn die Andrückkräfte, die auf die Flügel aller Stufen wirken, gleich sind, ist der VerschleiBwert Y der Flügel in der

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vierten Stufe ein Minimum und in der ersten Stufe ein Maximum, wie dies in Fig. 8 gezeigt ist. Die Änderung des Flügelverschleißwertes wird anhand von Fig. 7 erläutert. Der minimale Flügelverschleißwert ergibt sich im Auszugsbereich I, der maximale Verschleiß erfolgt im Lösungsbereich H. Der Flügelverschleißwert im Trocknungsbereich 3 ist kleiner als der im Lösungsbereich H, jedoch größer als der im Auszugsbereich I.

Die Änderung des Flügelverschleißwertes Y in Axialrichtung der Drahwelle 32 ergibt sich dadurch, daß der Koeffizient der kinematischen Viskosität der zu behandelnden Flüssigkeit allmählich zunimmt, wenn die Behandlung fortschreitet, so daß die Reaktionskraft, die durch den Flüssigkeitsfilm auf die Flügel 38 ausgeübt wird, zunimmt, um den Druck zu erniedrigen, mit welchem die innere Umfangsflache 12a des Behälters 12 durch die Flügel 38 kontaktiert wird. Insbesondere sind die Andrückkräfte F, mit welchen die Flügel 38 nach außen zur Innenfläche 12a des Behälters 12 gedruckt werden, in Axialrichtung der Rotorwelle 32 gleich, wie dies durch eine Linie F in Fig. 8 gezeigt ist. Die Andrückkraft F, mit welcher jeder Flügel 38 gegen die innere Umfangsflache 12a des Behälters 12 gedrückt wird, ist gleich der Summe aus der Kraft, die auf die Behälterinnenoberfläche 12a ausgeübt wird, und aus der Reaktionskraft durch den Flüssigkeitsfilm auf den Flügel. Die Reaktionskraft, die von dem Flüssigkeitsfilm auf den Flügel 38 in dem Auszugsbereich I ausgeübt wird, wo der Koeffizient der kinematischen Viskosität höher ist als in dem Lösungsberichh H, ist größer als die Reaktionskraft, die durch den Flüssigkeitsfilm auf die Flügel im Bereich H ausgeübt wird. Dementsprechend ist die Kraft, welche die innere Umfangsoberflache 12a des Behälters im Lösungsbereich H aufnimmt, größer als die Kraft, die von der Behälterinnenoberflache 12a im Auszugsbereich I aufgenommen wird. Somit ist der Verschleißwert der Flügel 38 im Lösungsbereich H größer als im Auszugsbereich I.

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Infolge dieser Änderung des VerschleiBwertes der Flügel in Axialrichtung der Rotorwelle verschleißen die Flügel 38 im Lösungsbereich H übermäßig bis sie unbrauchbar werden, während die Flügel 36 im Auszugsbereich I nicht so stark verschlissen und noch einsatzfähig sind, was zur Folge hat, daß der Betrieb des Verdampfers allein zur Erneuerung der Flügel 38 im Lösungsbereich H unterbrochen werden muß. Dadurch wird die Betriebszeit des Verdampfers beträchtlich abgesenkt.

Um den Verschleißwert Y der Flügel 38 in allen Bereichen des Behälters 12 gleichförmig zu machen, d. h. im Lösungsbereich H, im Auszugsbereich I und im Trocknungsbereich 3, müssen die Andrückkräfte F (F₁ ⁺F₂^ ^{d8r Flü}B^{el 38} aller Stufen vorteilhafterweise entsprechend der Kennlinie F von Fig. 9 geändert werden.

Nach der Kennlinie F in Fig. 9 ist die Andrückkraft F der Flügel 38 am kleinsten im Lösungsbereich H, wo der Koeffizient der kinematischen Viskosität der in dem Behälter 12 zu behandelnden Substanz am kleinsten ist, während die Kraft F im Auszugsbereich I am größten ist, wo der Koeffizient der kinematischen Viskosität der zu behandelnden Substanz am größten ist. In dem Verdampfer 1o der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist der Rotor 3o so gebaut, daß die Andrückkräfte F der Flügel 38 in der Vielzahl von Stufen in Axialrichtung des Rotors entsprechend der Kurve F von Fig. 9 variiert sind. ■

Ein Vergleich der Figuren 1oA, 1oB und 1oC zeigt, daß die Stellungen der Ausgleichsgewichte 5o bezüglich ihrer zugehörigen Flügel 38, nämlich die Werte der Winkel B-, in den verschiedenen Bereichen H, I und 3 verschieden sind. Wie vorher erwähnt, wird die Andrückkraft F, mit welcher jeder Flügel 38 gegen die innere Umfangsflache 12a des Behälters 12 gedruckt wird, mit der Änderung des Winkels B₃ variiert,

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vorausgesetzt, daß die anderen Zahlenwerte oder Faktoren unverändert bleiben. Somit erzeugen die verschiedenen Stellungen der Ausgleichsgewichte 5o bezüglich der Flügel 38 in den verschiedenen Bereichen, wie dies in den Figuren 1oA bis 1oC gezeigt ist, und somit die verschiedenen Werte der Winkel Β,, verschiedene Andrückkräfte F, wie sie durch die Kruve F in Fig. 9 gezeigt sind. Dies hat zur Folge, daß die Verschleißwerte der Flügel aller Stufen in Axialrichtung des Rotors 3o gleich sind, was durch die gerade Linie Y in Fig. veranschaulicht ist. Die Unterbrechungshäufigkeit des Verdampferbetriebs zur Erneuerung der Flügel wird deshalb verringert, woraus sich eine Erhöhung der Einsatzzeit des Verdampfers ergibt. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn der Verdampfer zum Behandeln des radioaktiven Abstroms eines Kernreaktors verwendet wird, das die Möglichkeit des Strahleneinflusses auf die Bedienungsperson aufgrund der reduzierten Häufigkeit der Flügelerneuerung in vorteilhafter Weise verringert ist.

Fig. 11A, 11B und 11C zeigen ähnlich den Figuren 1oA bis 1oC eine zweite Ausführungsform, mit der die Flügelverschleißwerte in Axialrichtung des Rotors im wesentlichen gleichgemacht werden können. Die Flügel 138 dieser Ausführungsform haben keine Ausgleichsgewichte. Statt dessen werden die Abmessungen der Gleitstücke 138a der Flügel 138 in Umfangsrichtung des Behälters 112 in Axialrichtung des Rotors 13o verändert. Das Gleitstück 138a des Flügels 138 im Lösungsbereich H des Verampfers hat die größte Umfangslänge S₁, das Gleitstück des Flügels im Auszugsbereich I hat die kleinste Umfangslänge S₂, während das Gleitstück des Flügels im Trocknungsbereich 3 eine Umfangslänge S₃ hat, die größer als die Länge S₂, jedoch kleiner als die Länge S₁ ist. Durch Ändern der Umfangslängen der Gleitstücke 138a der Flügel in Axialrichtung des Rotors 13o werden, wie oben erwähnt, die Andrücke in Axialrichtung des Rotors 13o variiert, mit denen die Gleitstücke dsr Flügel die innere Umfangsflache 112a Behälters 112 berühren.

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Claims

PATENTANWÄLTE SCHIFF ν. FÜNER STREHL SCHÜBEL-HOPF EBBINGHAUS FINCK MARIAHILFPLATZ 2 & 3. MÖNCHEN 90 POSTADRESSE: POSTFACH 95 O1 6O, D-8000 MÜNCHEN 95 PROFESSIONAL REPRESENTATIVES ALSO BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE DEA" 14 464 > KARLLUDWlQSCHlFF(IQSi-IgTe) DIPL. CHEM. DR. ALEXANDER V. FÜNER DIPL. ING. PETER STREHL DIPL. CHEM. DR. URSULA SCHÜBEL-HOPF DIPL. INS. DIETER EBBINGHAUS DR. INQ. DIETER FINCK TELEFON (OBQ) 48 SO 64 TELEX 6-23 565 AURO D TELEQRAMME auromarcpat München HITACHI LTD. 3. Juli 1979 Tokyo, 3apan Drehflüge!verdampfer Patentansprüche

1.JDrehflügelverdampfer mit einem Behälter, der eine im wesentlichen zylindrische innere Umfangsflache hat, die einen im wesentlichen zylindrischen Raum für die Aufnahme einer durch Verdampfen zu behandelnden Substanz enthält, mit einer Einrichtung zum Erhitzen wenigstens eines Teils der inneren Umfangsflache des Behälters und mit einem Rotor, der wenigstens einen Flügel aufweist, welcher die Substanz zwangsweise über der inneren Umfangswand des Behälters verteilt, gekennzeichnet durch ein mit dem radial äußeren Ende des Flügels (38, 138) verbundenes Gleitstück (38a, 138a), das sich in Umfangsrichtung des Behälters (12, 112) erstreckt.

2. Drehflügelverdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (3α) Einrichtungen (46, 48, 5o) aufweist, um unabhängig von einem Verschleiß am

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ORIGINAL INSPECTED

Flügel (38) eine konstante Andrückkraft (F₃) aufrechtzuerhalten, die auf den Flügel (38) wirkt und ihn gegen die innere Umfangswand (12a) des Behälters (12) drückt.

3. Drehflügelverdampfer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (3o) eins Rotorwelle (32), eine Flügelhalterung (4o, 42), die an der Rotorwelle (32) befestigt ist und sich damit dreht, und eine Halterung (44) aufweist, die schwenkbar das radial innere Ende des Flügels (38) an der Flügelhalterung (4o, 42) trägt, wobei die Einrichtung zum Aufrechterhalten der konstanten Andrückkraft (F-) ein Ausgleichsgewicht (5o) aufweist, das in einer festgelegten Beziehung zu dem Flügel (38) vorgesehen und drehbar damit um die Achse der Halterung (44) ist.

4. Drehflügelverdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Flügel (38) mit wenigstens einer Öffnung (38b) in dem Abschnitt versehen ist, der sich zwischen dem Gleitstück (38a) und dem radial inneren Ende des Flügels (38) erstreckt.

5. Drehflügelverdampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Drehflügeln (38) in einer Vielzahl von in Axialrichtung des Behälters (12) vorgesehenen Stufen angeordnet ist, wobei jede Stufe wenigstens einen Flügel (38) hat und jeder Flügel ein Gleitstück (38a) aufweist, das mit dem radial äußeren Ende des Flügels (38) verbunden ist und sich in Umfangsrichtung des Behälters (12) erstreckt, wobei der Rotor (3o) so gebaut ist, daß die Gleitstücke (3Ba) der Flügel (38) aller Stufen einem im wesentlichen gleichförmigen Verschleiß unterliegen.

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6. Drehflügelverdampfer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleitstück (38a) eines Flügels (38) in der Stufe, die in dem Bereich des Behälters (11) angeordnet ist, in welcher die Substanz in Form einer Lösung vorliegt, eine Umfangsabmessung hat, die größer ist als die der Gleitstücke (38a) von Flügeln (38), die sich in den anderen Stufen befinden.

7. Drehflügelverdampfer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (3o) eine Rotorwelle (32), eine Vielzahl von Flügelhalterungen (4o, 42), die an dem Rotor (3o) auf Höhen befestigt sind, die den jeweiligen Stufen der Flügel (38) entsprechen und zusammen mit der Rotorwelle (32) umlaufen, wenigstens eine Halterung (44), die schwenkbar wenigstens einen Flügel (38) an ihrem radial inneren Ende an jeder Flügelhalterung (4o, 42) hält, und Ausgleichsgewichte (5o) aufweist, von denen jedes in einer festgelegten Beziehung zu einem Flügel (38) angeordnet und damit um die Achse der Halterung (44) drehbar ist, und daß die Stellungen der Ausgleichsgewichte (5o) bezüglich der zugehörigen Flügel (38) in Axialrichtung des Behälters (12) derart veränderbar sind, daß die Kraft, mit welcher die Gleitstücke (38a) der Flügel (38) gegen die innere Umfangsfläche des Behälters (12) gedrückt werden, am kleinsten in der Stufe ist, die in einem Bereich des Behälters (12) angeordnet ist, in welchem die Substanz in Form einer Lösung vorhanden ist.

B. Drehflügelverdampfer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das für jeden Flügel (38) vorgesehene Ausgleichsgewicht (5o) in einer festgelegten Beziehung zu dem Flügel (38) so angeordnet ist, daß die Kraft (F₃), die das Gleitstück (38a) des Flügels (38) gegen die innere Umfangsoberflache (12a) des Behälters (12) drückt, unabhängig von dem Verschleiß des Gleitstücks (38a) des Flügels (38) konstant gehalten;ist.

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9. Drehflügelverdampfer nach einem der Ansprüche 5 bis Θ, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Flügel (3Ö) mit wenigstens einer öffnung (38b) in dem Abschnitt des Flugeis 138) versehen ist, der sich zwischen dem Gleitstück (38a) und dem radial innenliegenden Ende des Flügels (38) erstreckt.

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