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Vorrichtung zur Einleitung von Dampf in eine
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Flüssigkeit In der industriellen Technik, insbesondere der Verfahrenstechnik
ist es oftmals erforderlich, Dampf in eine Flüssigkeit einzuleiten, wobei je nach
Einsatzgebiet ein Aufheizen der Flüssigkeit oder aber ein Druckabbau durch Dampfkondensation
als Zielsetzung stärker im Vordergrund stehen kann. In den meisten Fällen handelt
es sich um die Einleitung von Wasserdampf in Wasser, aber natürlich können auch
andere Dämpfe und Flüssigkeiten in Betracht kommen.
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Vorrichtungen zur Einleitung von Dampf in eine Flüssigkeit sind in
verschiedener konstruktiver Ausgestaltung bekannt.
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Sie enthalten üblicherweise einen Flüssigkeitsbehälter mit einer Anzahl
dampfdurchströmter Tauchrohre, deren Einlaßseiten mit der Dampfzuführur,g verbunden
sind und deren Austrittsenden offen in der Flüssigkeit münden. Dabei sind, im wesentlichen
abhängig von dem Mengenstrom und der Geschwindigkeit des Dampfes, der Temperaturdifferenz
zwischen Dampf und Flüssigkeit sowie der Größe der für einen Wärmeaustausch zwischen
Dampf und Flüssigkeit zur Verfügung stehenden Rohroberfläche, unterschiedliche Betriebszustände
möglich, nämlich ein Betrieb mit vollständiger Dampfkondensation innerhalb der Rohre
und ein Betrieb mit mehr oder weniger starkem Dampfaustritt am Austrittsende der
Rohre.
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Von diesen Betriebszuständen ist der Betrieb mit Dampfaustritt bei
Dampfgeschwindigkeiten unterhalb der Schallgeschwindigkeit besonders problematisch,
weil er häufig von erheblichen Geräuschentwicklungen, Erschütterungen und Schwingungen
innerhalb der gesamten Vorrichtung begleitet ist. Die Ursache dieser Störungen liegt
darin, daß sich bei Dampfgeschwindigkeiten unterhalb der Schallgeschwindigkeit in
der Flüssigkeit Dampfblasen ausbilden, die sehr rasch kondensiert werden, d.h. kavitationsartig
zusammenfallen. Dabei wird die die Blasen umgebende Flüssigkeit
in
Richtung auf das Blasenzentrum beschleunigt, und es entstehen kräftige Kondensationsschläge,
die mit der Größe der Blasen zunehmen. Aus diesem Grunde werden möglichst kleine
Dampfblasen angestrebt.
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Wenn das Zusammenfallen der Dampfblasen bei entsprechend geringen
Dampfgeschwindigkeiten bereits einsetzt, bevor sich die Blasen von dem Austrittsende
der Rohre gelöst haben, kommt jedoch als weiterer, auch als "steam-chugging" bezeichneter
Effekt noch hinzu, daß die Flüssigkeit periodisch mit erheblicher Kraft in die Rohre
hineingedrückt und wieder ausgestoßen wird.
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Dies beruht darauf, daß während des Zusammenfallens einer noch mit
dem Austrittsende eines Rohres verbundenen Blase der in das Rohr hinein gerichteten
Komponente der auf die Flüssigkeit einwirkenden Beschleunigungskräfte nur die Druckkraft
des Dampfes entgegensteht, wodurch in dieser Richtung eine Differenzkraft verbleibt,
die ein plötzliches und heftiges Einströmen von Flüssigkeit in das Rohr bewirkt.
Sobald diese Differenzkraft abgebaut ist und von der Druckkraft des Dampfes überwunden
werden kann, wird die Flüssigkeit wieder aus dem Rohr ausgeschoben, es kommt zur
Bildung einer neuen Dampfblase, und der Vorgang wiederholt sich. Dadurch treten
in der Flüssigkeit stabile periodische Druckänderungen auf, die sich auf die einzelnen
Teile der Vorrichtung übertragen und die ggfs. durch Resonanzeffekte noch verstärkt
werden können.
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Bei Austrittsgeschwindigkeiten des Dampfes im Bereich oberhalb der
Schallgeschwindigkeit sind diese Erscheinungen nicht vorhanden, denn dann bildet
sich am Austrittsende der Rohre eine stabile Dampfblase aus, die an ihrer Kontaktfläche
mit der Flüssigkeit kontinuierlich abkondensiert und durch nachströmenden Dampf
weitgehend stationär gehalten wird. Ein solcher Betriebszustand läßt sich in vielen
Fällen aber nicht erreichen, so daß die Probleme, die bei einem Dampfaustritt mit
Geschwindigkeiten deutlich unterhalb der Schallgeschwindigkeit auftreten, eine erhebliche
praktische Bedeutung haben.
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Demgemäß ist es das Ziel der Erfindung, ein konstruktives Mittel
vorzusehen, das eine geräusch- und erschütterungsarme Einleitung von Dampf in eine
Flüssigkeit gestattet, auch nachträglich in bereits vorhandene Vorrichtungen eingesetzt
werden kann und sich außerdem schnell und einfach herstellen läßt.
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Dieses Ziel erreicht die Erfindung dadurch, daß mindestens eines
der Rohre eine gegenüber dem freien Rohrquerschnitt verengte Austrittsöffnung aufweist,
und die Innenkontur des Roh-Austrittsendabschnittes einen düsenartigen Übergang
von der Rohr-Innenwandung zur Austrittsöffnung bildet. Vorzugsweise sind dabei mehrere
bis alle Rohre in dieser Weise ausgestaltet.
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Die Erfindung beruht auf der Überlegung, daß ein Rohrende, das sich
zur Auslaßöffnung hin düsenartig verengt und dann abrupt (z. B. mit einer etwa senkrecht
zur Rohrachse verlaufenden Wandung) endet, als Düse mit einem von der Strömungsrichtung
abhängigen Strömungswiderstand angesehen werden kann. Diese Düse ist in Strömungsrichtung
des Dampfes sehr strömungsgünstig und führt, im Vergleich zu einem Rohr mit unverengtem
Austrittsquerschnitt, für den ausströmenden Dampf zu einer nur geringen, praktisch
nicht ins Gewicht fallenden Erhöhung des Strömungswiderstandes. In umgekehrter Strömungsrichtung
hingegen besitzt die Düse eine ausgesprochen ungünstige Strömungsform, so daß der
Strömungswiderstand für Flüssigkeit, die in das Rohr einzuströmen sucht, entsprechend
hoch ist. Dies nutzt die Erfindung konsequent und überraschend wirkungsvoll zur
Unterdrückung der steamchugging"-Erscheinungen aus, indem das Einströmen von Flüssigkeit
in das Rohr hinein behindert wird, ohne daß dies mit einer nennenswerten Behinderung
des Dampfaustrittes aus dem Rohr einhergeht. Wenn nämlich die Flüssigkeit nicht
oder nur schlecht in das Rohr einströmen kann, ergeben sich in der Flüssigkeit auch
nicht mehr die starken Druckschwankungen mit den Folgeerscheinungen des "steam-chugging".
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Der düsenartige Übergang von der Rohr-Innenwandung in die Austrittsöffnung
kann im Rahmen der Forderung nach einer strömungsgünstigen Innenkontur des Rohr-Austrittsendabschnittes
beliebig ausgebildet sein. Als zweckmäßig hat es sich erwiesen, die Innenkontur
des Austrittsendabschnittes so auszubilden, daß sie einer Düse mit Einlaufradius
entspricht oder daß sie stetig von der Rohr-Innenwandung in die Austrittsöffnung
übergeht oder daß sie in Strömungsrichtung des Dampfes geradlinig verläuft.
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Auch Kombinationen dieser Ausbildungen können vorgesehen sein.
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Die verengte Austrittsöffnung kann aus einer zusammenhängenden Öffnung
bestehen oder in mehrere Einzelöffnungen unterteilt sein. Ihre Flächenform kann
einen Kreisquerschnitt ebenso umfassen wie alle Möglichkeiten eines nicht-kreisförmigen
Querschnittes. Nicht-kreisförmige Querschnitte - z.B. solche in Form einer Ellipse,
eines Schlitzes, eines Kreuzschlitzes oder eines "Knochens", einschließlich auch
solchen mit einer oder mehreren Ecken bis hin zu einem Umfang der Austrittsöffnung
nach Art eines Vielzahnprofils - sind dabei bevorzugt, weil sie gegenüber dem Kreisquerschnitt
bei gleicher Querschnittsfläche eine größere Umfangslänge der Austrittskante der
Austrittsöffnung aufweisen.
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Da der Strömungswiderstand für die einströmende Flüssigkeit mit steigender
Umfangslänge der Austrittskante ansteigt, sind nichtkreisförmige Flächenformen der
Austrittsöffnung somit besondes strömungsungünstig.
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Zur Herstellung der verengten Austrittsöffnung kann eine entsprechende
Verformung der Rohrwandung am Austrittsendabschnitt des Rohres erfolgen, aber ebenso
kann auch eine mit der gewünschten Innenkontur versehene Buchse in den Austrittsendabschnitt
des Rohres eingesetzt werden. Von diesen beiden Maßnahmen, die in nahezu allen Fällen
auch für ein nachträgliches Umrüsten einer bereits vorhandenen Vorrichtung anwendbar
sind, ist die Verformung des Rohrendes die technisch-wirtschaftlich günstigere Methode,
wenn Wandstärke und Durchmesser der Rohre so bemessen sind, daß die Verformungskräfte
mit einfachen Werkzeugen
aufgebracht werden können. Andererseits
ergibt das Einsetzen einer Buchse die vorteilhafte Möglichkeit, innerhalb des Rohres
im geringen Abstand von der Austrittsöffnung eine oder mehrere weitere Buchsen mit
gleicher Innenkontur anzuordnen und damit eine zusätzliche Sperre gegen das Einströmen
der Flüssigkeit in das Rohr zu schaffen.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die Austrittsöffnungen
in Achsrichtung der Rohre einzeln oder gruppenweise gegeneinander versetzt, d. h.
die freie Länge der einzelnen Rohre ist unterschiedlich bemessen. Dadurch erhalten
etwaige Restschwingungen in den einzelnen Rohren eine unterschiedliche Frequenz,
und es können sich keine Schwingungsresonanzen einstellen. Wenn die Rohre als im
wesentlichen paralleles Rohrbündel vorliegen, ist es dabei besonders zweckmäßig,
die Rohre derart anzuordnen, daß ihre Länge von der Mitte des Rohrbündels nach außen
hin zunimmt, denn dann tritt zusätzlich noch durch die äußeren langen Rohre eine
Dämpfung der von den kürzeren Rohren ausgehenden Druck- und Schallwellen auf dem
Weg zur Wandung des Flüssigkeitsbehälters ein.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der
Zeichnungen näher erläutert. Hierin zeigen: Fig. 1 im Längs- und Querschnitt eine
erste Ausführungsform eines einzelnen Rohres, Fig. 2 im Längs- und Querschnitt eine
zweite Ausführungsform eines einzelnen Rohres, Fig. 3 im Längs- und Querschnitt
eine dritte Ausführungsform eines einzelnen Rohres, Fig. Lt im Längs- und Querschnitt
eine vierte Ausführungsform eines einzelnen Rohres,
Fig. 5 im Längs-
und Querschnitt eine fünfte Ausführungsform eines einzelnen Rohres, und Fig. 6a-d
schematische Schnittansichten von vier Ausführungsbeispielen eines Rohrbündels in
der Weiterbildung mit verschiedenartig abgestuften Rohrlängen.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 besitzt das Rohr 11 einen konisch
verjüngten Austrittsendabschnitt 13 mit einer kreisrunden Austrittsöffnung 12, die
zentrisch zur freien Querschnittsfläche 15 des Rohres 11 dargestellt ist. Die Innenkontur
des Austrittsendabschnittes 13 verläuft in Strömungsrichtung des Dampfes geradlinig
bis zur Austrittskante 14 der Austrittsöffnung 12. Eine zentrische Anordnung der
Austrittsöffnung 12 ist nicht unbedingt erforderlich, die Austrittsöffnung kann
auch seitlich zur Rohrachse versetzt sein.
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Die Ausführungsform gemäß Fig. 2 zeigt einen Austrittsendabschnitt
23 eines Rohres 21 mit einer schlitzförmig verengten Austrittsöffnung 22, die die
Achse des Rohres 21 schneidet. Die Länge des Schlitzes 22 entspricht dabei etwa
dem Durchmesser der freien Querschnittsfläche 25 des Rohres 21. In diesem Fall bildet
die Innenkontur des Austrittsendes 23 einen stetigen übergang von der Rohr-Innnenwandung
in die Austrittskante 24 der Austrittsöffnung 22.
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In Fig. 3 ist eine dritte Ausführungsform dargestellt, die sich von
der Ausführungsform gemäß Fig. 2 nur darin unterscheidet, daß die Austrittsöffnung
32 im Austrittsende 33 des Rohres 31 die Form eines Kreuzschlitzes hat. Bei dieser
Ausführungsform ist die Umfangslänge der Austrittskante 34 der Austrittsöffnung
32 gegenüber den in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen am größten.
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Die Herstellung der in Fig. 1 - 3 gezeigten Austrittsenden
der
Rohre kann sehr einfach durch Verformung der Rohrwandung 16, 26 bzw. 36 mit einem
geeignet ausgebildeten Werkzeug erfolgen, in das das eventuell vorher erwärmte Rohrende
eingeschlagen wird.
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Wie in Fig. Lt gezeigt, kann alternativ zur Verformung der Rohrwandung
146 die verengte Austrittsöffnung 42 aber auch durch eine in den Austrittsendabschnitt
143 des Rohres 141 eingesetzte Buchse 140 gebildet sein. Diese Buchse kann dabei
bündig mit der Stirnfläche 147 des Rohrendes abschließen. Sie kann aber auch das
Rohrende übergreifend ausgebildet oder gegenüber der Stirnfläche 147 zurückversetzt
angeordnet sein. Ihre Befestigung läßt sich durch Paßsitz, durch Verlöten oder durch
andere übliche Maßnahmen sichern. In der Darstellung der Fig. Lt entspricht die
Innenkontur der Buchse 140 einer Düse mit Einlaufradius, aber ebenso kann die Buchse
auch andere strömungsgünstige Innenkonturen aufweisen. Weiterhin lassen sich mit
einer Buchse auch alle von der Kreisform abweichenden Flächenformen der Austrittsöffnung
142 verwirklichen, insbesondere solche mit einer oder mehreren oder vielen Ecken
entlang dem Umfang der Austrittskante 1414.
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In einer nicht dargestellten Abwandlung der in Fig 4 gezeigten Ausführungsform
ist innerhalb des Rohrendes stromaufwärts von der Buchse 140 eine zweite Buchse
mit gleicher Innenkontur angeordnet, die als zusätzliche Flüssigkeitssperre wirkt,
indem sie eine eventuell durch die Buchse 40 in das Rohr 141 eingetretene Flüssigkeit
an einem noch weiteren Eindringen in das Rohr hindert. Natürlich können stromaufwärts
der zweiten Buchse noch weitere Buchsen angeordnet sein, falls sich das in einzelnen
Fällen als erforderlich erweisen sollte.
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Bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 1 - 4 ist unterstellt, daß das
Rohr 11, 21, 31 bzw. 141 einen Kreisquerschnitt besitzt. Das muß nicht sein, die
Erfindung ist gleichermaßen anwendbar bei Rohren mit nicht-kreisförmigem Querschnitt.
Die fig.
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5 stellt als Beispiel dafür ein Rohr 51 mit länglichem Querschnitt
dar,
dessen Austrittsendabschnitt 53 durch Verformung der Rohrwandung 56 gebildet ist
und mit stetiger Innenkontur in die Austrittsöffnung 52 übergeht. Die Austrittsöffnung
besitzt in diesem Fall die Grundform eines Schlitzes, der in seinem mittleren Bereich
58 zusätzlich zusammengedrückt ist. Wenn sich dabei die in diesem Bereich gegenüberliegenden
Austrittskanten 54 der Austrittsöffnung berühren, wird die Austrittsöffnung 52 praktisch
in zwei Einzelöffnungen 52a und 52b unterteilt, wohingegen bei weniger starkem Zusammendrücken
des mittleren Bereiches 58 des Schlitzes eine zusammenhängende Austrittsöffnung
in Form eines "Knochens" entsteht.
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Die Fig. 6a bis 6d geben schematisch die Ausbildung einer gesamten
Vorrichtung wieder. Sie veranschaulichen die Weiterbildung der Erfindung dahingehend,
die einzelnen Rohre unterschiedlich lang auszubilden, am Beispiel von Rohrbündeln,
deren einzelne Rohre 1 jeweils mit ihren Einlaßenden Lt in einem Rohrboden 5 angeordnet
sind und mit ihren Austrittsendabschnitten 3 in einen Flüssigkeitsbehälter 6 münden,
der als von der Flüssigkeit durchströmt angenommen ist.
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In den Fig. 6a bis 6c verlaufen die Rohre 1 im wesentlichen parallel
zueinander und befinden sich in einer ebenen Rohrplatte 5. Dabei nimmt die Rohrlänge
in Fig. 6a von der Mitte des Bündels nach außen hin ab und in Fig. 6b nach außen
hin zu, während in Fig. 6c die Rohre unterschiedlicher Länge wahllos verteilt sind.
In allen Fällen sind dabei mindestens eines (und vorzugsweise mehrere bis alle)
der Rohre 1 an ihren Austrittsenden 3 mit einer verengten Austrittsöffnung versehen,
beispielsweise in der Form, wie sie in Fig. 1 - 4 erläutert ist.
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Die Anordnung paralleler Rohre in einem ebenen Rohrboden ist nicht
zwingend. Fig. 6d zeigt eine Ausführungsform mit einem gewölbten Rohrboden 5 und
divergierenden Rohren 1. In allen Fällen kann auch statt eines Rohrbodens mit endseitig
befestigten Rohren eine Rohrplatte mit beidseitig durchstehenden Rohren vorgesehen
sein.
Weiterhin kann in einzelnen Fällen die Dampfzuführung auch in einem endseitig geschlossenen
Zylinder oder in einer Kugel münden, von deren Wandung aus sich die Rohre 1 radial
nach allen Richtung erstrecken. Diese letztgenannten Möglichkeiten sind zeichnerisch
nicht mehr weiter dargestellt.