DE2926855A1 - Drehfluegelverdampfer - Google Patents
DrehfluegelverdampferInfo
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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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DEA-14 464 -B-
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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DEA-14 464 -1ο-
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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DEA-14 464 - 16 - 292685b
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.
909883/083S
DEA-14 464 - 2o -
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 FlüBel 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,
909883/0835
DEA-14 464 - 21 -
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.
Leerseite
Claims (3)
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.
909883/0835
DEA-14 464 -3- 2S26855
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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