DE60210685T2

DE60210685T2 - Russbläserdüsenanlage mit verbesserter stromabwärtiger Düse

Info

Publication number: DE60210685T2
Application number: DE60210685T
Authority: DE
Inventors: Tony F. Lancaster Habib; David L. Akron Keller
Original assignee: Diamond Power International Inc
Current assignee: Diamond Power International Inc
Priority date: 2001-01-12
Filing date: 2002-01-10
Publication date: 2007-01-25
Anticipated expiration: 2022-01-11
Also published as: EP1223401B1; AU1013802A; US6764030B2; EP1223401A3; CA2366806A1; DE60210685D1; CA2366806C; US20020121563A1; AU784115B2; CN1246635C; CN1375657A; MXPA02000291A; EP1223401A2

Description

Diese Anmeldung beansprucht Priorität aus der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 60/261542, eingereicht am 21. Januar 2001, mit dem Titel "Rußgebläsedüsenaufbau mit verbesserter stromabwärtiger Düse".
TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft eine Rußgebläsevorrichtung zum Reinigen von Innenseiten von Verbrennungsvorrichtungen großer Bauform. Insbesondere betrifft diese Erfindung neuartige Konstruktionen von Düsen für ein Rußgebläselanzenrohr, das mit verbesserter Reinigungsfähigkeit ausgestattet ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Rußgebläse werden dazu verwendet, einen Strom aus einem Blasmedium auszustoßen, wie etwa Dampf, Luft, Wasser, und zwar gegen Wärmetauscherflächen von Verbrennungsvorrichtungen großer Bauform, wie etwa Energieversorgungsboiler und Prozessrückgewinnungsboiler. Im Betrieb erzeugen Verbrennungsprodukte Schlacke- und Ascheverkrustungen, die auf Wärmeübertragungsflächen aufwachsen und das Wärmeleitungsvermögen des Systems beeinträchtigen. Rußgebläse, zum Reinigen der Oberflächen werden periodisch betätigt, um die gewünschten Betriebsbedingungen wieder herzustellen. Üblicherweise enthalten Rußgebläse ein Lanzenrohr, das mit einer Blasmedium-Druckquelle verbunden ist. Die Rußgebläse umfassen außerdem zumindest eine Düse, aus der das Blasmedium in einem Strom oder Strahl ausgetragen wird. In einem Rückziehrußgebläse wird das Lanzenrohr periodisch in das Innere des Boilers vorgerückt und aus diesem rückgezogen, wenn das Blasmedium aus den Düsen ausgetragen wird. In einem stationären Rußgebläse ist das Lanzenrohr in einer Stellung innerhalb des Boilers stationär vorgesehen, kann jedoch periodisch gedreht werden, während das Blasmedium aus den Düsen ausgetragen wird. In jedem Typ führt die Stoßeinwirkung des ausgetragenen Blasmediums auf die Niederschläge, die sich auf den Wärmetauschflächen angesammelt haben, zu einer Verschiebung bzw. Ablösung der Niederschläge. US-Patente, die allgemeine Rußgebläse offenbaren, umfassen die US-Patent Nummern 3439376, 3585673, 3782336 und 4422882.
Ein typisches Rußgebläselanzenrohr (offenbart in der WO 97/88264) umfasst zumindest zwei Düsen, die typischerweise diametral ausgerichtet sind, um Ströme in um 180° von einander unterschiedlichen Richtungen auszutragen. Diese Düsen können einander direkt gegenüberliegen, d. h., auf derselben Längsstellung entlang dem Lanzenrohr, oder sie können in Längsposition voneinander getrennt sein. Im zuletzt genannten Fall wird die Düse, die näher am distalen Ende des Lanzenrohrs zu liegen kommt, typischerweise als stromabwärtige Düse bezeichnet. Die Düse, die in Längsrichtung am weitesten entfern vom distalen Ende zu liegen kommt, wird üblicherweise als stromaufwärtige Düse bezeichnet. Die Düsen sind üblicherweise, jedoch nicht stets, mit ihrem zentralen Durchlass senkrecht zu der Längsachse des Lanzenrohrs, diese schneidend ausgerichtet und in der Nähe des distalen Endes des Lanzenrohrs angeordnet.
Verschiedene Reinigungsmedien werden in Rußgebläsen eingesetzt. Dampf und Luft werden in zahlreichen Anwendungen ver wendet. Das Reinigen von Schlacke- und Ascheverkrustungen in den Innenseiten einer Verbrennungsvorrichtung findet durch eine Kombination aus mechanischem Stoß und Wärmeschock statt, hervorgerufen durch die Stoßeinwirkung des Reinigungsmediums. Um diese Wirkung maximal zu gestalten, sind die Lanzenrohre und Düsen so ausgelegt, dass sie einen kohärenten Strom von Reinigungsmedium erzeugen, der einen maximalen Stoßdruck auf der zu reinigenden Fläche erzeugt. Das Düsenleistungsvermögen wird üblicherweise quantifiziert durch Messen des dynamischen Drucks, der auf einer Oberfläche auftrifft, die im Schnittpunkt der Mittellinie der Düse unter einer gegebenen Distanz von der Düse zu liegen kommt. Um die Reinigungswirkung maximal zu gestalten, ist es erwünscht, dass der Strom eines kompressiblen Blasmediums vollständig expandiert wird, wenn er die Düse verlässt. Eine vollständige Expansion bezieht sich auf eine Bedingung, demnach der statische Druck des Dampfs, der aus der Düse austritt, sich an denjenigen des Umgebungsdrucks innerhalb des Boilers nähert. Der Expansionsgrad, dem ein Strahl unterliegt, wenn er die Düse durchsetzt, hängt teilweise vom Öffnungsdurchmesser (D) und der Länge der Expansionszone innerhalb der Düse (L) ab, was üblicherweise als L/D-Verhältnis bezeichnet wird. Innerhalb bestimmter Grenzen stellt ein höheres L/D-Verhältnis üblicherweise ein besseres Leistungsvermögen für die Düse bereit.
Die klassische Überschalldüsenkonstruktionstheorie für kompressible Fluide, wie etwa Luft oder Strom, fordert, dass die Düse einen minimalen Strömungsquerschnitt aufweist, der häufig als Verengungsstelle bezeichnet wird, gefolgt von einem Expansionsquerschnitt (eine Expansionszone), der es erlaubt, dass der Druck des Fluids abgebaut wird, wenn dieses die Düse durchsetzt, und die Strömung auf Geschwindigkeiten höher als die Schallgeschwindigkeit beschleunigt. Verschiedene Düsen konstruktionen sind entwickelt worden, die das L/D-Verhältnis optimieren, um den Strom oder den Strahl deutlich zu expandieren, wenn dieser die Düse verlässt. Eine Beschränkung der praktischen Längen, die Rußgebläsedüsen aufweisen können, setzt voraus, dass der Düsenaufbau durch eine kleine Öffnung in der Außenwand des Boilers geschoben werden kann, als Wandkasten bezeichnet. Für lange Rückziehrußgebläse besitzen die Lanzenrohre typischerweise einen Durchmesser in der Größenordnung von 7,6 bis 17,7 cm (3 bis 5 Inch). Düsen für derartige Lanzenrohre können sich nicht eine signifikante Distanz über die Zylinderaußenseite des Lanzenrohrs hinaus erstrecken. In Anwendungen, bei denen zwei Düsen einander diametral gegenüberliegen, bestehen deutliche Einschränkungen bezüglich der Erstreckung der Länge der Düsen, um einen direkten körperlichen Eingriff zwischen den Düsen bzw. eine nicht akzeptable Beschränkung der Fluidströmung in die Düseneinlässe hinein zu unterbinden. Bei der Bemühung, längere Rußgebläsedüsen zu ermöglichen, werden Düsen von Rußgebläselanzenrohren häufig in Längsrichtung verschoben. Obwohl diese Konfiguration üblicherweise das Leistungsvermögen verbessert, indem die Verwendung von Düsen erleichtert wird, die ein ideales L/D-Verhältnis besitzen, hat sich ergeben, dass die stromaufwärtige Düse ein signifikant besseres Leistungsvermögen zeigt als die stromabwärtige Düse. Ein unerwünschter Unterschied bezüglich der Reinigungswirkung resultiert dadurch zwischen den Düsen.
Ein geringes Leistungsvermögen der stromabwärtigen Düse wurde anfänglich dem statischen Druckverlust zugeschrieben, der mit der Fluidströmung einhergeht, die um den stumpfen Körper herum strömt, der sich durch die stromaufwärtige Düse in Form des zylindrischen Vorsprungs der Düse in das Lanzenrohrinnere ergibt. Diesbezüglich durchgeführte Experimente haben jedoch ergeben, dass selbst dann, wenn die stromaufwärtige Düse radial auswärts bewegt wird, um der Strömung durch das Lanzenrohr kein Hindernis zu bieten, das Leistungsvermögen der stromabwärtigen Düse nicht signifikant besser wurde. Es wird deshalb davon ausgegangen, dass das geringe Leistungsvermögen der stromabwärtigen Düse signifikant von dem Stagnationsbereich herrührt, der in dem distalen Ende des herkömmlichen Lanzenrohrs erzeugt ist. Ein typisches Lanzenrohrende bzw. ein "Düsenblock" besitzt eine verrundete halbkugelförmige distale Endfläche. Da die stromabwärtige Düse in den Düsenblock vor der distalen halbkugelförmigen Endfläche eindringt, existiert ein Innenvolumen jenseits der stromabwärtigen Düse. Ein signifikanter Teil des Reinigungsfluids, das sich der stromabwärtigen Düse nähert, wird deshalb zwangsweise über den Düseneinlass hinaus zum Strömen veranlasst und gelangt in einen Stagnationszustand am distalen Ende des Lanzenrohrs, um daraufhin zum Eintritt in die Düse erneut zu beschleunigen. Die Gegenströmungen, die von dem distalen Ende rückkehren, kollidieren mit den vorwärts gerichteten Strömen an einer der stromabwärtigen Düsen, was zu größeren hydraulischen Verlusten führt und vor allen Dingen die Strömungsverteilung in der Düse stört. Die hydraulischen Verluste, die mit den Stagnationsbedingungen am distalen Ende und am Düseneinlass einhergehen, verbinden sich mit der ungünstigen Strömungsverteilung auf Grundlage von Konzepten, die in Verbindung mit dieser Erfindung entwickelt worden sind, weshalb davon ausgegangen wird, dass die Verantwortlichkeit für ein geringes Leistungsvermögen der stromabwärtigen Düse großen Teils hierauf beruht. Es besteht deshalb ein Bedarf auf diesem Gebiet der Technik, eine neuartige Lanzenrohrkonstruktion bereitzustellen, die das Leistungsvermögen der stromabwärtigen Düse deutlich verbessert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In Übereinstimmung mit dieser Erfindung werden Verbesserungen bezüglich der Düsenkonstruktion erzielt, um ein verbessertes Leistungsvermögen der stromabwärtigen Düse bereitzustellen. In jedem Fall ist in Übereinstimmung mit dieser Erfindung der Düsenblock so gebildet, dass er die Stagnation innerhalb des Düsenrohrbereichs jenseits der stromabwärtigen Düse beseitigt, die bei Konstruktionen gemäß dem Stand der Technik auftritt. Ein weiteres nützliches Merkmal dieser Erfindung sieht das stromlinienförmige Ausgestalten an der stromaufwärtigen Düse vor, wodurch die Unterbrechung der Reinigungsmediumströmung zu der stromabwärtigen Düse minimiert wird.
Kurz gesagt umfasst eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine stromabwärtigen Düse am distalen Ende des Lanzenrohrs mit einem konvergierenden Kanal, der im Innern des Lanzenrohrs gebildet ist, um die Strömung des Reinigungsmediums, die die stromaufwärtige Düse durchsetzt, auszurichten und die Strömung zu der stromabwärtigen Düse zu richten. Der konvergierende Kanal beseitigt das Stagnationsvolumen des distalen Endes des herkömmlichen Lanzenrohrs. Dies hat den Vorteil, dass Hydraulikverluste reduziert werden und der Grad an Gleichförmigkeit der Strömungsgeschwindigkeit an der Verengungsstelle verbessert ist, wodurch wiederum die Strömungsexpansion und die Wandlung statischer Energie in kinetische Energie verbessert wird.
Die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht eine Innenseite im Wesentlichen identisch zu derjenigen der ersten Ausführungsform vor. Der Düsenblock gemäß der zweiten Ausführungsform besitzt jedoch eine dünnwandige Konfiguration, wodurch die Masse des Düsenblocks verringert ist.
Eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht einen Tragflügelkörper um die Außenseite der stromaufwärtigen Düse vor. Durch Bereitstellen einer stromlinienförmigen Konstruktion für die Außenseite der stromaufwärtigen Düse werden Strömungsstörungen, die mit der stromaufwärtigen Düse einhergehen, minimal gehalten.
Eine vierte Ausführungsform der Erfindung sieht eine stromaufwärtige Düse vor, deren Einlassende in Richtung auf die Strömung des Reinigungsmediums, das durch das Lanzenrohr strömt, spitz zuläuft.
In einer fünften Ausführungsform umfasst die stromaufwärtige Düse eine Längsachse senkrecht zur Längsachse des Lanzenrohrs, wobei der Düseneinlass in Richtung auf die Strömung des Blasmediums spitz zuläuft.
In einer sechsten Ausführungsform in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Erfindung ist die Konstruktion der stromaufwärtigen Düse so vorgesehen, dass deren Auslassende mit dem Körper des Lanzenrohrs bündig verläuft.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung erschließen aus der nachfolgenden Beschreibung der anliegenden Zeichnungen. In diesen zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines langen Rückziehrußgebläses, bei dem es sich um den Typ eines Rußgebläses handelt, der in Düsenaufbauten gemäß der vorliegenden Erfindung eingebaut werden kann;
2 eine Querschnittsansicht eines Rußgebläsedüsenblocks in Übereinstimmung mit den Lehren des Stand der Technik;
2A eine Querschnittsansicht ähnlich wie diejenige von 2, jedoch unter Darstellung alternativer Stagnationsbereiche für den Düsenkopf;
3 eine perspektivische Darstellung eines Lanzenrohrdüsenblocks, enthaltend die Merkmale in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
4 eine Querschnittsansicht des Lanzenrohrdüsenblocks von vorne in Übereinstimmung mit der in 3 gezeigten ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5A eine vergrößerte Querschnittsansicht der stromabwärtigen Düse in Übereinstimmung mit den Lehren der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5B eine vergrößerte Querschnittsansicht der stromabwärtigen Düse in Übereinstimmung mit den Lehren der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 eine Querschnittsansicht des Lanzenrohrdüsenblocks von vorne, der eine dünne Wandkonfiguration in Übereinstimmung mit den Lehren der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist;
7 eine Querschnittsansicht des Lanzenrohrdüsenblocks von vorne, enthaltend den Tragflügel- bzw. den stromlinienförmigen Körper um die stromaufwärtige Düse in Übereinstimmung mit den Lehren der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7A eine Aufrissquerschnittsansicht des Lanzenrohrdüsenblocks, enthaltend den Tragflügelkörper um die stromaufwärtige Düse in Übereinstimmung mit den Lehren der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7A eine Draufsicht des Lanzenrohrdüsenblocks, enthaltend den Tragflügelkörper um die stromabwärtige Düse, wobei die Außenseite der Düse einen trapezförmigen Querschnitt in Übereinstimmung mit den Lehren der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat;
8 eine Querschnittsansicht des Lanzenrohrdüsenblocks, aufweisend eine gekrümmt verlaufende, stromaufwärtige Düse in Bezug auf die Längsachse des Lanzenrohrs in Übereinstimmung mit der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 eine Querschnittsansicht des Lanzenrohrdüsenblocks, aufweisend eine stromaufwärtige Düse mit einer gerade verlaufenden Austragachse und einer schräg verlaufenden Einlassöffnung in Übereinstimmung mit der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
10 eine Querschnittsansicht des Lanzenrohrdüsenblocks, aufweisend eine Austrittsebene der stromaufwärtigen Düse, die bündig verläuft mit dem Außendurchmesser des Lanzenrohrdüsenblocks, und aufweisend eine dünnwandige Konstruktion in Übereinstimmung mit der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
DETAILLIERTE BESCHREIBUNB DER ERFINDUNG
Die nachfolgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform erfolgt lediglich beispielhaft und soll die Erfindung bzw. ihre Anwendung oder ihre Einsatzzwecke in keiner Weise beschränkten.
In 1 ist repräsentatives Rußgebläse gezeigt und allgemein mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Das Rußgebläse 10 umfasst grundsätzlich einen Rahmenaufbau 12, ein Lanzenrohr 14, ein Zuführrohr 16 und einen Schlitten 18. Das Rußgebläse 10 ist in seiner normalen rückgezogenen Ruhestellung gezeigt. Für die Betätigung wird das Lanzenrohr 14 in das Verbrennungssystem, wie etwa einen Boiler (nicht gezeigt), ausgefahren und aus diesem rückgezogen, und das Rohr kann gleichzeitig gedreht werden.
Der Rahmenaufbau 12 enthält einen allgemein rechteckigen Rahmenkasten 20, der ein Gehäuse für die gesamte Einheit bildet. Der Schlitten 18 ist entlang von zwei Paaren von Schienen geführt, die auf gegenüberliegenden Seiten des Rahmenkastens 20 zu liegen kommen, und sie enthalten ein Paar von unteren Schienen (nicht gezeigt) sowie oberen Schienen 22. Ein Paar von Zahnstangen (nicht gezeigt) ist starr bzw. fest mit den oberen Schienen 22 verbunden und dazu vorgesehen, die Längsbewegung des Schlittens 18 zu ermöglichen. Der Rahmenaufbau 12 ist an einem (nicht gezeigten) Wandkasten abgestützt, der an der Boilerwandung fest angebracht ist oder an einer anderen Halterungsstruktur, und außerdem ist er durch hintere Tragstützen 24 abgestützt.
Der Schlitten 18 treibt das Lanzenrohr 14 in den Boiler hinein und aus diesem heraus an und umfasst einen Antriebsmotor 26 sowie ein Getriebe 28, das durch das Gehäuse 30 eingeschlossen ist. Der Schlitten 18 treibt ein Paar von Kegelrädern 32 an, die mit den Zahnstangen im Eingriff stehen, um den Schlitten und das Lanzenrohr 14 vorzurücken. Tragrollen 34 stehen im Eingriff mit den Führungsschienen zur Stützung des Schlittens 18.
Das Zuführrohr 16 ist mit einem Ende an der hinteren Stütze 36 angebracht und führt die Strömung aus Reinigungsmedium, die durch Einwirkung eines Tellerventils 38 gesteuert wird. Das Tellerventil 38 wird außerdem durch Gelenke 40 betätigt, die im Eingriff mit dem Schlitten 18 stehen, um den Austrag an Reinigungsmedium bei Ausfahren des Lanzenrohrs 14 zu beginnen und die Strömung zu unterbrechen, sobald das Lanzenrohr und der Schlitten in ihre rückgezogene Leerlaufstellung rückkehren, die in 1 gezeigt ist. Das Lanzenrohr 14 sitzt außerdem über dem Zuführrohr 16 und eine Fluiddichtung zwischen ihnen ist durch eine (nicht gezeigte) Dichtung bereitgestellt. Ein Rußblasmedium, wie etwa Luft oder Dampf, strömt in dem Lanzenrohr 14 und tritt über eine oder mehrere Düsen 50 aus, die am Düsenblock 52 angebracht sind, womit ein distales Ende 51 festgelegt ist. Das distale Ende 51 ist durch eine halbkugelförmige Wand 53 verschlossen.
Ein aufgewickeltes elektrisches Kabel 42 führt dem Antriebsmotor 26 Strom zu. Vordere Tragstützen 44 stützen das Lanzenrohr 14 während seiner Längs- und Drehbewegung ab. Für lange Lanzenrohrlängen kann eine Zwischenstütze 46 vorgesehen sein, um eine übermäßige Ausbiegung des Lanzenrohrs durch Verbiegen zu unterbinden.
2 zeigt eine Ansicht eines Düsenblocks 52 in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik mehr im Einzelnen. Demnach umfasst der Düsenblock 52 ein Paar von diametral gegenüberliegend positionierten Düsen 50A und 50B. Die Düsen 50A und 50B werden ausgehend vom distalen Ende 51 verschoben, wobei die Düse 50B als stromabwärtige Düse (die näher am distalen Ende 51 liegt) bezeichnet wird, während die Düse 50A als (weiter vom distalen Ende 51 weg liegend) stromaufwärtige Düse bezeichnet wird.
Das Reinigungsmedium, typischerweise Dampf, der unter einem Druck von etwa 10,3 Bar (150 psi) oder einem höheren Druck steht, strömt in den Düsenblock 52 hinein in Richtung eines Pfeils 21. Ein Teil des Reinigungsmediums tritt in die stromaufwärtige Düse 50A ein und wird aus dieser ausgetragen, wie durch einen Pfeil 23 bezeichnet. Ein Teil der mit Pfeilen 25 bezeichneten Strömung durchsetzt die Düse 50A und setzt ihre Strömung in Richtung auf die stromabwärtige Düse 50B fort. Ein Teil dieses Fluids verlässt die Düse 50B direkt, wie mit einem Pfeil 27 bezeichnet. Wie vorstehend erläutert, zeigt die stromabwärtige Düse 50B typischerweise ein geringeres Leistungsvermögen als die stromaufwärtige Düse 50A. Dies wird der Tatsache zugeschrieben, dass die Strömung des Reinigungsmediums, die die stromaufwärtige Düse 50A und die stromabwärtige Düse 50B durchsetzt mit einem Pfeil 29 bezeichnet ist, zu einem vollständigen Stopp am distalen Ende 51 des Lanzenrohrs 14 gelangt (stagniert), wodurch ein Stagnationsbereich 31 am distalen Ende 51 jenseits der stromabwärtigen Düse 50B erzeugt wird. Das Reinigungsmedium, das durch den Pfeil 33 bezeichnet ist, muss erneut beschleunigen, rückwärts strömen und sich mit dem zuströmenden Strom 27 vereinigen. Die Vereinigung der vorwärts gerichteten Strömung, die durch den Pfeil 27 bezeichnet ist, mit der rückwärts gerichteten Strömung, die mit dem Pfeil 33 bezeichnet ist, resultiert in einem Energieverlust auf Grund von Hydraulikverlusten am Düsenein lass und führt außerdem zu einer ungünstigen Strömungsverteilung. Der Energieverlust, der mit Stagnationsbedingungen am distalen Ende einhergeht, und die Hydraulikverluste am Düseneinlass sowie die Verformung des Einlassströmungsprofils sind voraussichtlich dafür verantwortlich, dass die stromabwärtige Düse bei Konstruktionen gemäß dem Stand der Technik ein geringeres Leistungsvermögen zeigt.
Wie vorstehend angesprochen, existieren verschiedene Erklärungen für das vergleichsweise geringere Leistungsvermögen der stromabwärtigen Düse 50B in Bezug auf die stromaufwärtige Düse 50A. Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben ermittelt, dass das Leistungsvermögen der stromabwärtigen Düse 50B verbessert wird durch Beseitigen des Stagnationsbereichs am distalen Düsenblockende 51 und durch Bewegen des Stagnationsbereichs zum Einlass der stromabwärtigen Düse; mit anderen Worten werden Reinigungsmediumströme, dargestellt durch die Pfeile 29 und 33 in 2, im Wesentlichen beseitigt. Die Vorteile dieses Konstruktionskonzepts können mathematisch in Bezug auf die nachfolgende Erläuterung und 2A erläutert werden.
Eine der Schlüsselparameter beim Konstruieren einer effizienten Konvergenz-/Divergenz-Lavaldüse, wie etwa die Düsen 50A und 50B, betrifft das Verengungsstellen/Austrittsflächenverhältnis (Ae/At). Eine Düse mit einem idealen Verengungsstellen/Auslassflächenverhältnis führt zur Erzielung einer gleichförmigen, vollständig expandierten Strömung in der Düsenaustrittsebene. Das Ausmaß der Gasexpansion im divergierenden Abschnitt ist durch die nachfolgend angeführte Gleichung festgelegt, die einen Reinigungsmediumstrom als eindimensional für eine vereinfachte Berechnung charakterisiert.
wobei

Ae: = Düsenaustrittsfläche
At: = Verengungsstellenfläche, die außerdem gleich der Fläche der idealen Schallebene ist.

Die Austrittsmachzahl Me bezieht sich auf das Verengungsstellen/Austrittsflächenverhältnis über die Kontinuitätsgleichung und die isentropischen Beziehungen eines idealen Gases (siehe Michael A. Saad, "Compressible Fluid Flow", Prentice Hall, zweite Ausgabe, Seite 98).
Wobei

γ: = spezifisches Wärmeverhältnis des Reinigungsfluids. Für Luft gilt, γ = 1,4. Für Dampf gilt, γ = 1,329
Pe: = statischer Düsenaustrittsdruck in psia
Po: = Gesamtdruck im psia
Me: = Düsenaustrittsmachzahl.

In der vorstehend genannten Gleichung 2 beruht die Beziehung zwischen der Austrittsmachzahl und dem Druckverhältnis auf der Annahme, dass die Strömung Schallgeschwindigkeit in der Ebene des kleinsten Querschnitts der Konvergenz/Divergenzdüse erreicht, nominal in der Verengungsstelle. In der Praxis, insbesondere bei Rußgebläseanwendungen, erreicht die Strömung jedoch nicht Schallgeschwindigkeit in der Verengungsstelle und auch nicht in derselben Ebene. Die tatsächliche Schall ebene ist üblicherweise weiter stromabwärts ausgehend von der Verengungsstelle versetzt und ihre Form wird stärker ungleichmäßiger und dreidimensionaler.
Die Verzerrung der Schallebene beruht hauptsächlich auf der ungünstigen Strömungsverteilung im Düseneinlassabschnitt. Bei Rußgebläseanwendungen und wie durch Pfeile 23 für die Düse 50A und die Pfeile 33 und 37 für die Düse 50B in 2 gezeigt, nähert sich das Reinigungsfluid der Düse 90° versetzt in Bezug auf ihre Mittenachse. Bei einer derartigen Konfiguration begünstigt die in die Düse eintretende Strömung die stromabwärtige Hälfte des Düseneinlassabschnitts bzw. -querschnitts, weil der Einlasswinkel weniger steil verläuft.
Die Verzerrung und die Versetzung der Schallebene beeinflusst unvermeidlich die Expansion des Reinigungsfluids im divergierenden Abschnitt und führt zu einem nicht gleichmäßig verteilten Austrittsdruck und einer Machzahl. Diese Feststellungen sind konsistent mit dem gemessenen und vorhergesagten statischen Austrittsdruck für eine der herkömmlichen Rußgebläsedüsen.
Um der Verschiebung der Schallebene Rechnung zu tragen, kann die tatsächliche Machzahl am Austritt mit der idealen Verengungsstellen/Austrittsfläche wie folgt in Beziehung gesetzt werden:
Wobei

At_a: = effektive Fläche der tatsächlichen Schallebene
Me_a: = Mittelwert der tatsächlichen Machzahl am Düsenaustritt.

Der Grad an ungünstiger Verteilung der Austrittsmachzahl und des statischen Drucks variiert zwischen den stromaufwärtigen und stromabwärtigen Düsen 50A und 50B abhängig vom Rußgebläse. Es scheint so zu sein, dass die stromabwärtige Düse 50B stärkere ungleichförmige bzw. ungleichmäßige Austrittsbedingungen zeigt als die stromaufwärtige Düse 50A. Dabei wird davon ausgegangen, dass dies ein Teil für die Ursache des relativ schlechten Leistungsvermögens (der stromabwärtigen Düse) darstellt.
Die Anordnung der stromabwärtigen Düse 50B relativ zum distalen Ende 51 führt nicht nur zu größeren Hydraulikverlusten, sondern auch zu einer Fehlausrichtung der zuströmenden Ströme in Bezug auf den Düseneinlass. Erneut gilt, dass, je größer die Stromfehlverteilung am Düseneinlass ist, desto stärker ist die Verschiebung und Verzerrung der Schallebene, was zu einem schlechteren Leistungsvermögen führt. Für Konstruktionen gemäß dem Stand der Technik ist das Verhältnis (At/At_a) kleiner für die stromabwärtige Düse 50B als für die stromaufwärtige Düse 50A.
Bei der Konstruktion effizienterer Rußgebläsedüsen ist es erforderlich, das ideale und das tatsächliche Flächenverhältnis (At/At_a) näher an eins zu halten. Verschiedene Methoden sind im Zusammenhang mit dieser Feststellung vorgeschlagen worden, um dieses Ziel zu erreichen. Für die stromaufwärtige Düse wird das "At/Rt_a"-Verhältnis teilweise beeinflusst durch die Größe "X" und die Größe "α", wie in 2A gezeigt (At/At_a = f(α, X). Die große Größe X bezeichnet die Trennung der Düsen 50A und 50B in Längsrichtung.
Ein kleinerer Abstand X führt dazu, dass die zuströmende Strömung 27 stärker fehlausgerichtet wird in Bezug auf die Achse der stromaufwärtigen Düse. Beispielsweise führt ein Abstand X von 12,7 cm (5 Inch) zu einem relativ besseren Leistungsvermögen als ein Abstand X von 10,2 cm (4 Inch).
Während eine größere Distanz X vorteilhaft ist, ist es gleichzeitig bei den meisten Russgebläseanwendungen wünschenswert, X aus mechanischen Gründen minimal zu halten. Unter diesen Umständen sollte ein optimaler Abstand X gewählt werden, mit dem die Strömungsstörung minimal gehalten wird, während die mechanischen Anforderungen noch erfüllt sind. Eine Verkleinerung des Strömungsannäherungswinkels (α), wie in 2A gezeigt, würde zu einer Verringerung der ungünstigen Strömung am Düseneinlass führen, was wiederum potentiell Einlassverluste reduzieren würde.
Für die stromabwärtige Düse 50B wird das "At/At_a"-Verhältnis teilweise beeinflusst durch die Größe "Y", wie in 2A gezeigt, (At/At_a = f(Y)). Die Größe Y ist als Längsdistanz zwischen der Innenseite des distalen Endes 51 und der Einlassachse der stromabwärtigen Düse 50B definiert.
Unter erneuten Bezug auf 2A beeinflusst die Position bzw. Anordnung der distalen Ebene relativ zu der stromabwärtigen Düse 50B die Ausrichtung der Strömung in die Düse hinein und führt zu einer ungünstigeren Strömungsverteilung. Beispielsweise bildet Y1 (wie im Stand der Technik typischerweise festgelegt) die am wenigsten günstigste Distanz zwischen der Düsenmittenachse und dem distalen Ende 51 des Lanzenrohrs. Mit einer derartigen Konfiguration ist das Düsenleistungsvermögen relativ schlecht. Y2 stellt eine verbesser te Distanz dar auf Grundlage einer modifizierten distalen Endfläche, bezeichnet mit 51'. Im Fall von Y2 strömt das Reinigungsfluid 25 nicht über die stromabwärtige Düse 50B hinaus, wodurch Stagnationsbedingungen der Strömungen entfallen, die mit den Pfeilen 29 und 33 bezeichnet sind. Statt dessen wird die Strömung effizient zum Düseneinlass kanalisiert. Wenn die Größe Y in der Richtung nach links entlang der Längsachse des in 2A gezeigten Düsenblocks 52 als positiv angenommen wird, liegt keinerlei wesentliche Strömung an Reinigungsmedium in der negativen Y-Richtung vor. Wenn die Längsachse (strichliert gezeigt) der Düse 50B eine Z-Achse definiert und in Austragrichtung ausgehend von der Düse positiv angenommen wird, gilt ferner, dass, sobald der Längspunkt entlang dem Düsenblock 52 erreicht wird, wo die Düse zum ersten Mal beginnt, in die stromabwärtige Düse 50B einzutreten, ein Geschwindigkeitsvektor mit negativer Z-Komponente vollständig entfällt. Auf diese Weise werden Hydraulik- und Energieverluste am Düseneinlass minimal gehalten, wodurch das Leistungsvermögen der stromabwärtigen Düse 50B verbessert wird. Durch diese Verbesserung tritt das Reinigungsfluid in die stromabwärtige Düse 50B außerdem gleichförmiger ein, wodurch die Verzerrung der Schallebene minimal gehalten wird, was wiederum die Fluidexpansion und die Wandlung der gesamten Energie in kinetische Energie verbessert. Der optimale Wert für Y beträgt im Wesentlichen Y2 entsprechend einer Hälfte des Durchmessers des Einlassendes der stromabwärtigen Düse 50B.
Das Bereitstellen einer Form der distalen Innenseite entsprechend 51'' ist andererseits nicht günstig. In einer derartigen Konfiguration wird die Einlassströmungsfläche bzw. der Einlassströmungsquerschnitt verringert und die Ströme werden außerdem relativ zur Düsenmittenachse stärker fehlausgerichtet, was zu einer Trennung der Strömung und zu einer Wirbelbildung führen kann.
In 3 und 4 ist ein Lanzenrohrdüsenblock 102 in Übereinstimmung mit den Lehren der ersten Ausführungsform dieser Erfindung gezeigt. Der Lanzenrohrdüsenblock 102 umfasst einen hohlen Innenkörper bzw. ein Plenum 104 mit einer Außenseite 105. Das distale Ende des Lanzenrohrdüsenblocks ist allgemein mit der Bezugsziffer 106 bezeichnet. Der Lanzenrohrdüsenblock umfasst zwei Düsen 108 und 110, die radial positioniert sowie in Längsrichtung beabstandet sind. Bevorzugt sind der Lanzenrohrdüsenblock 102 und die Düsen 108 und 110 einstückig gebildet. Alternativ können die Düsen auch in den Lanzenrohrdüsenblock 102 geschweißt sein.
4 zeigt die Düsen 108 und 110 mehr im Einzelnen. Demnach ist die Düse 108 am distalen Ende 106 des Lanzenrohrdüsenblocks 102 angeordnet, und diese Düse wird üblicherweise als stromabwärtige Düse bezeichnet. Die Düse 110 ist in Längsrichtung vom distalen Ende 106 entfernt angeordnet, und diese Düse wird üblicherweise als stromaufwärtige Düse bezeichnet.
In 4 und 5A ist die stromaufwärtige Düse 110 gezeigt, bei der es sich um eine in typischer Weise konvergierend und divergierend ausgebildete Düse in der an sich bekannten Laval-Konfiguration handelt. Insbesondere legt die stromaufwärtige Düse 110 ein Einlassende 112 fest, das mit dem Innenkörper 104 des Lanzenrohrdüsenblocks 102 in Verbindung steht. Die Düse 110 legt außerdem ein Auslassende 114 fest, durch das das Reinigungsmedium ausgetragen wird. Die konvergierende Wandung 116 und die divergierende Wandung 118 bilden die Verengungsstelle 120. Die Mittenachse 122 auf der Austragseite der Düse 110 verläuft im Wesentlichen senkrecht zur Längsach se 125 des Lanzenrohrdüsenblocks 102. Die Austragmittenachse 122 kann jedoch auch unter einem Winkel von etwa siebzig Grad (70°) bis zu einem Winkel im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse ausgerichtet sein. Die divergierende Wandung 118 der Düse 110 legt einen Divergenzwinkel ϕ1 fest, gemessen ausgehend von der Austragmittenachse 122. Die Düse 110 legt außerdem eine Expansionszone 124 mit einer Länge L1 zwischen der Verengungsstelle 120 und dem Auslassende 114 fest.
Wie in 4 und 5B gezeigt, umfasst die stromabwärtige Düse 108 ebenfalls ein Einlassende 126 und ein Auslassende 128, gebildet um eine Achse 136. Ein Teil des Reinigungsmediums, das nicht in die stromaufwärtige Düse 110 eintritt, tritt in die stromabwärtige Düse 108 am Einlassende 126 ein. Das Reinigungsmedium tritt in das Einlassende 126 ein und verlässt die Düse 108 durch das Auslassende 128. Die konvergierende Wandung 130 und die divergierende Wandung 132 legen die Verengungsstelle 134 der stromabwärtigen Düse 108 fest. Die Ebene der Verengungsstelle 134 verläuft im Wesentlichen parallel zur Längsachse 125 des Düsenblocks. Die divergierenden Wandungen 132 der stromabwärtigen Düse 108 verlaufen gradlinig, d. h., sie besitzen konische Form; andere Formen können jedoch ebenfalls verwendet werden. Die Mittenachse 136 der Düse 108 ist unter einem Winkel von etwa siebzig Grad (70°) bis zu einem Winkel im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Lanzenrohrdüsenblocks 102 ausgerichtet. Die Düse 108 legt einen Divergenzwinkel ϕ2 fest, gemessen ausgehend von der Austragmittenachse 136. Eine Expansionszone 138 mit einer Länge L2 ist zwischen der Verengungsstelle 134 und dem Auslassende 128 festgelegt.
Da das Leistungsvermögen der Düse teilweise vom Expansionsgrad des Reinigungsmediumstrahls abhängt, der aus der Düse austritt, besitzen, wie in 4 gezeigt, die stromabwärtige Düse 108 und die stromaufwärtige Düse 110 identische Geometrie. Alternativ kann die vorliegende Erfindung auch eine stromaufwärtige und eine stromabwärtige Düse 108 bzw. 110 aufweisen, die unterschiedliche Geometrie zeigen. Insbesondere kann der Durchmesser der Verengungsstelle 134 der stromabwärtigen Düse 108 größer sein als der Durchmesser der Verengungsstelle 120 der stromaufwärtigen Düse 110. Die Länge L2 der Expansionskammer 138 kann außerdem größer sein als die Länge L1 der Expansionskammer 124 der stromaufwärtigen Düse 110. In einer alternativen Ausführungsform ist der Durchmesser der Verengungsstelle 134 zumindest 5% größer als der Durchmesser der Verengungsstelle 120, und die Länge L2 ist zumindest 10% größer als die Länge L1. Das L/D-Verhältnis der stromabwärtigen Düse 108 kann damit größer sein als das L/D-Verhältnis der stromaufwärtigen Düse 110.
Wie in 4 gezeigt, wird die Strömung des Reinigungsmediums, die die stromaufwärtige Düse 110 durchsetzt und durch den Pfeil 152 bezeichnet ist, durch einen konvergierenden Kanal 142 geleitet. Der konvergierende Kanal bzw. Konvergenzkanal 142 ist im Innern 104 des Lanzenrohrdüsenblocks 102 zwischen der stromaufwärtigen Düse 110 und der stromabwärtigen Düse 108 gebildet. Der konvergierende Kanal 142 ist bevorzugt durch Anordnen eines Körpers 144 mit aerodynamisch konvergierender Kontur um die stromabwärtigen Düsenverengungsstelle 134 gebildet. Der konvergierende Kanal 142 zeigt einen kleiner werdenden Querschnitt im Innern 104 des Lanzenrohrdüsenblocks 102 zwischen dem Einlassende 112 der stromaufwärtigen Düse 110 und dem Einlassende 126 der stromabwärtigen Düse 108. Das Vorderende 148 des Körpers 144 liegt in derselben Ebene wie das Einlassende 126 der Düse 108. In der bevorzugten Ausführungsform bildet der Konturkörper 144 einen integ ralen Bestandteil des Lanzenrohrdüsenblocks 102 und der stromabwärtigen Düse 108. Der Konturkörper 144 besitzt eine schräg verlaufende Kontur, so dass die Strömung des Reinigungsmediums in Richtung auf das Einlassende 126 der stromabwärtigen Düse 108 gerichtet wird. Der konvergierende Kanal 142 stellt dadurch einen Strömungsquerschnitt für das Blasmedium dar, der gleichmäßig kleiner wird ausgehend von unmittelbar hinter der stromaufwärtigen Düse 110 in Richtung auf die stromabwärtige Düse 108, und der die Reinigungsmediumsströmung dazu veranlasst, in die stromabwärtige Düse mit verringerten Hydraulikverlusten einzutreten.
4 zeigt die Arbeitsweise des Düsenblocks 102 in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Reinigungsmedium strömt in das Innere 104 des Lanzenrohrdüsenblocks 102 in der durch Pfeile 150 bezeichneten Richtung. Ein Teil des Reinigungsmediums tritt in die stromaufwärtige Düse 110 durch das Einlassende 112 ein. Das Reinigungsmedium tritt daraufhin in die Verengungsstelle 120 ein, wo das Medium Schallgeschwindigkeit erreichen kann. Daraufhin tritt das Medium in die Expansionskammer 124 ein, wo es zusätzlich beschleunigt wird und die stromaufwärtige Düse 110 am Auslassende 114 verlässt.
Ein Teil des Reinigungsmediums, das nicht in das Einlassende 112 der stromaufwärtigen Düse 110 eintritt, strömt in Richtung auf die stromabwärtige Düse 108, wie durch Pfeile 152 bezeichnet. Das Reinigungsmedium strömt in den konvergierenden Kanal 142, der im Innern 104 des Lanzenrohrdüsenblocks 102 gebildet ist. Der konvergierende Kanal 142 leitet das Reinigungsmedium zum Einlassende 126 der stromabwärtigen Düse 108. Das Reinigungsmedium strömt deshalb so gut wie nicht in Längsrichtung über das Einlassende 126 der stromabwärtigen Düse 108 hinaus. Sobald die Strömung das Einlassende 126 erreicht, existiert keine Strömungsgeschwindigkeitskomponente in der negativen "Z"-Richtung (definiert als mit der Achse 136 fluchtend und positiv in Richtung des Strömungsaustrags). Auf Grund des Vorliegens des konvergierenden Kanals 142 wird die Strömung des Reinigungsmediums effizienter zum Düseneinlass 126 getrieben. Der Energieverlust, der damit einhergeht, dass das Reinigungsmedium in die Verengungsstelle 134 der stromabwärtigen Düse 108 eintritt, wird verringert, wodurch das Leistungsvermögen der stromabwärtigen Düse 108 erhöht wird. Im Gegensatz zu Konstruktionen gemäß dem Stand der Technik muss das Strömungsmedium nicht zu einem vollständigen Stopp im Bereich jenseits der stromabwärtigen Düse gelangen und daraufhin erneut beschleunigt werden, um in das Einlassende 126 der Düse 108 einzutreten. Da außerdem unterschiedliche Geometrien für die stromaufwärtige Düse 110 und die stromabwärtige Düse 108 möglich sind, wird das Reinigungsmedium, das in die Expansionszone 138 in der stromabwärtigen Düse 108 eintritt, stärker expandiert als das Reinigungsmedium in der Expansionszone 124 der stromaufwärtigen Düse 110, um jegliche Düseneinlassdruckdifferenz zwischen den Düsen 108 und 110 zu kompensieren. Die kinetische Energie des Reinigungsmediums, das die stromabwärtige Düse 108 verlässt, approximiert damit stärker die kinetische Energie des Reinigungsmediums, das die stromaufwärtige Düse 110 verlässt.
In 6 ist ein Lanzenrohrdüsenblock 202 in Übereinstimmung mit der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Lanzenrohrdüsenblock 202 ist ähnlich dem Lanzenrohrdüsenblock 102 und legt ein hohles Inneres 204 und eine Außenseite 205 fest. Der Lanzenrohrdüsenblock 202 weist eine stromabwärtige Düsen 208 und eine stromaufwärtige Düse 210 auf, die identische Konfiguration in Bezug auf die Düsen 108 und 110 der ersten Ausführungsform besitzen. Der Düsenblock 202 besitzt identisches Innenvolumen und Strömungspfade wie der Düsenblock 102.
Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform in Bezug auf die Wandungsdicke des Düsenblocks 202, die verringert ist. Das Strömungshindernis 244 ist hohl, wodurch die Masse des Düsenblocks 202 verringert ist.
In 7, 7A und 7B ist ein Lanzenrohrdüsenblock 302 für ein Rußgebläse in Übereinstimmung mit den Lehren der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Lanzenrohrdüsenblock 302 umfasst ein hohles Inneres 304. Der Lanzenrohrdüsenblock 302 umfasst eine stromabwärtige Düse 306 und eine stromaufwärtige Düse 310. Die Abmessungen und Geometrie der stromabwärtigen und stromaufwärtigen Düsen 306 und 310 sind identisch in Bezug auf Abmessung und Geometrie in Bezug auf die Düsen 108 und 100 der ersten Ausführungsform.
Diese Ausführungsform des Lanzenrohrdüsenblock 302 unterscheidet sich von der vorstehend erläuterten Ausführungsform dadurch, dass die stromaufwärtige Düse 310 einen tragflügelförmigen bzw. stromlinienförmigen Körper 311 umfasst, und zwar um die Düsendivergenzfläche 312 der stromaufwärtigen Düse 310. Bevorzugt besitzt der stromaufwärtige Düsentragflügelkörper 311 trapezförmigen Querschnitt. Der divergierende Abschnitt 307 (in 7A gezeigt) der stromaufwärtigen Düse 310 verläuft kreisförmig an jedem Punkt entlang seiner Achse ausgehend vom Einlass zu der Austrittsebene. Der Tragflügelkörper 311 besitzt eine gleichmäßige stromaufwärtige Schrägfläche 314A und eine stromabwärtige Schrägfläche 314B. Die stromaufwärtige Schrägfläche 314A empfängt Reinigungsmedium vom proximalen Ende des Düsenblocks, das in der durch Pfeile 319 in 7 bezeichneten Richtung strömt. Die stromabwärtige Schrägfläche 314B erlaubt eine gleichmäßige Strömung des Reinigungsmediums über die stromaufwärtige Düse 310 hinaus zum Einlassende 316 der stromabwärtigen Düse 306, wie durch Pfeile 320 gezeigt. Der Neigungswinkel ψ1 des Tragflügelkörpers 311 wird zwischen der Mittenachse 315 der stromaufwärtigen Düse 310 und der Schrägfläche 314B des Tragflügelkörpers 311 gemessen, wie in 7 gezeigt. In der bevorzugten Ausführungsform besteht der Tragflügelkörper 311 aus demselben Material wie der Düsenblock 302. Der Tragflügelkörper 311 sorgt für eine gleichmäßige Strömung des Reinigungsmediums zum Einlassende 316 der stromabwärtigen Düse 306, wie durch Pfeile 320 gezeigt. Außerdem unterstützt der Tragflügelkörper 311 die Verringerung von turbulenten Wirbelströmen, die die stromaufwärtige Düse 310 beeinflussen, und das minimale Aufrechterhalten, des Druckabfalls der Strömung 320, die die stromaufwärtige Düse 310 durchsetzt, um der stromabwärtigen Düse 306 zugeführt zu werden. 7A zeigt einen Querschnitt eines Düsenblocks 302, der geringfügig geneigt verläuft. Diese Ansicht dient zur Verdeutlichung des Umrisses des hohlen Innenraums 304. 7B zeigt teilweise eine verfestigte Form des Tragflügelkörpers 311. Demnach enthält der Tragflügelkörper 311' wie der Tragflügelkörper 311 Seitenflächen 324. Die Tragflügelkörper 311 und 311' sind so konfiguriert, dass sie Hindernisse für den Strömungsquerschnitt hinter der Düse 310 minimal halten. Das heißt, teilweise dadurch, dass die Seitenflächen 324 nahe an den Seitenflächen 307 der Düse 310 liegen.
In 8 ist ein Lanzenrohrdüsenblock 402 in Übereinstimmung mit der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das hohle Lanzenrohrdüsenblockinnere 404 definiert eine Längsachse 407. Der Lanzenrohrdüsenblock 402 weist eine stromabwärtige Düse 408 auf, die an einem distalen Ende 406 des Lanzenrohrdüsenblocks 402 zu liegen kommt. Die stromaufwärtige Düse 410 ist in Längsrichtung von der stromabwärtigen Düsen 408 beabstandet. In dieser Ausführungsform besitzt die stromabwärtige Düse 408 dieselbe Konfiguration wie die Düse 108 der ersten Ausführungsform. Die Geometrie der stromaufwärtigen Düse 410 unterscheidet sich jedoch hiervon. In der vorliegenden Ausführungsform besitzt die stromaufwärtige Düse 410 eine gekrümmte Innenform derart, dass das Einlassende 412 in Richtung auf die Strömung des Reinigungsmediums gekrümmt verläuft, wie durch Pfeile 411 gezeigt. Die Mittenachse des Austragendes 416, gemessen vom Einlassende 412 das Auslassendes 418, verläuft gekrümmt und nicht geradlinig. Die stromaufwärtige Düse 410 besitzt konvergierende Wandungen 420 und eine divergierende Wandung 422, die sich mit den konvergierenden Wandungen vereinigt. Die konvergierenden Wandungen 420 und die divergierenden Wandungen 422 legen eine Verengungsstelle 424 fest. Eine Mittenachse der Verengungsstelle 424 verläuft gekrümmt, so dass der Winkel ψ3, der zwischen der Verengungsstelle 424 und der Längsachse 407 des Düsenblocks 402 festgelegt ist, im Bereich von 0 bis 90 Grad liegt. Bevorzugt beträgt der Winkel ψ3 etwa 45 Grad.
9 zeigt einen Lanzenrohrdüsenblock 502 in Übereinstimmung mit der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Lanzenrohrdüsenblock 502 besitzt identische Konfiguration wie der Lanzenrohrdüsenblock in der vierten Ausführungsform. Der Lanzenrohrdüsenblock 502 weist eine stromabwärtige Düse 508 auf, die am distalen Ende 506 des Lanzenrohrdüsenblocks 502 zu liegen kommt. Der Lanzenrohrdüsenblock 502 weist eine stromaufwärtige Düse 510 auf, die ein Einlassende 512 und ein Auslassende 514 festlegt. Eine Verengungs stelle 516 ist durch konvergierende Wandungen 520 und divergierende Wandungen 522 festgelegt.
Die vorliegende Ausführungsform unterscheidet sich von der Düsengeometrie der vierten Ausführungsform dadurch, dass die stromaufwärtige Düse 510 eine Mittenachse 518 besitzt, die geradlinig und nicht gekrümmt verläuft, wie für die vorausgehende Ausführungsform erläutert. Die vorliegende Ausführungsform besitzt ein Einlassende 512, das in Richtung auf die Strömung des Reinigungsmediums unter einem Winkel verläuft, wie durch Pfeile 511 gezeigt. Damit das Einlassende 512 in Richtung auf die Strömung des Reinigungsmediums gewinkelt verlaufen kann, besitzen die konvergierenden und divergierenden Wandungen 520 und 522 diametral gegenüberliegend zueinander unterschiedliche Länge. Die divergierende Wandung 522A ist dadurch länger als die divergierende Wandung 522B.
10 zeigt die sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Lanzenrohrdüsenblock 602 legt eine Innenseite 604 und eine Außenseite 606 fest. Die stromabwärtige Düse 608 kommt am distalen Ende 607 des Lanzenrohrdüsenblocks 602 zu liegen. Die stromabwärtige Düse 608 besitzt dieselbe Konfiguration und dieselbe Abmessung wie die Düse 108 der ersten Ausführungsform.
Die stromaufwärtige Düse 610 ist eine geradlinie Düse mit einem Einlassende 612 und einem Auslassende 614. Wie die stromaufwärtige Düse der vorausgehenden Ausführungsformen besitzt die stromaufwärtige Düse 610 eine Verengungsstelle 616, die durch die konvergierenden Wandungen 618 und die divergierenden Wandungen 620 festgelegt ist. Die stromaufwärtige Düse 610 legt eine Austragmittenachse 622 zwischen dem Einlassende 612 und dem Auslassende 614 fest. In dieser Ausführungsform verläuft die Ebene 624 des Auslassendes 614 bündig mit der Außenseite 606 des Lanzenrohrdüsenblocks 602. Die Düsenexpansionszone 622, die durch die divergierenden Wandungen 620 festgelegt ist, kommt vollständig innerhalb des Durchmessers des Lanzenrohrdüsenblocks 602 zu liegen. Der Düsenblock 602 besitzt außerdem "dünnwandige" Konstruktion, demnach die Außenwandung nahezu gleichmäßige Dicke aufweist, jedoch Rampenflächen 628 und 630 und ein Vorderende 632 bildet.
Die vorstehende Diskussion offenbart und erläutert eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Einem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik erschließt sich jedoch aus dieser Diskussion und den anliegenden Zeichnungen und Ansprüchen, dass Abwandlungen und Modifikationen an den Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, die in den nachfolgenden Ansprüchen festgelegt ist.

Claims

Lanzenrohrdüsenblock für ein Rußgebläse (10) zum Reinigen von Wärmetauscherinnenseiten durch Auftreffen lassen eines Reinigungsmediumstrahls, wobei der Düsenblock aufweist: Einen Düsenblockkörper (102), der eine Längsachse (125), ein hohles Inneres (104), ein distales Ende (106) und ein proximales Ende festlegt, wobei das proximale Ende das Reinigungsmedium aufnimmt; eine stromabwärtige Düse (108), die benachbart zum distalen Ende (106) des Düsenblockkörpers (102) zum Austragen des Reinigungsmediums angeordnet ist, wobei die stromabwärtige Düse (108) ein Einlassende (126) und eine Austragachse (136) aufweist, die im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse (125) des Düsenblockkörpers (102) verläuft; und eine stromaufwärtige Düse (110) zum Austragen des Reinigungsmediums, die in einer Längsposition des Lanzenrohrdüsenblocks versetzt vom distalen Ende (106) und der stromabwärtigen Düse (108) zu liegen kommt, dadurch gekennzeichnet, dass das hohle Innere (104) des Düsenblockkörpers (102) und die stromabwärtige Düse (108) derart gebildet sind, dass derjenige Teil des Reinigungsmediums, der in Richtung der Längsachse (125) ausgehend vom proximalen Ende zum distalen Ende (106) durch das Innere (104) des Düsenblockkörpers (102) strömt und sich der stromabwärtigen Düse (108) nähert, nicht über das Einlassende (126) der stromaufwärtigen Düse hinaus strömt, so dass ein Stagnationsbereich jenseits des stromabwärtigen Düseneinlassendes (126) erzeugt ist.
Düsenblock nach Anspruch 1, wobei die stromabwärtige Düse (108) einen ersten konvergierenden Abschnitt (130) in der Nähe des Einlassendes (126) der stromabwärtigen Düse aufweist, einen ersten divergierenden Abschnitt (132), der mit dem ersten konvergierenden Abschnitt (130) vereinigt ist und in einem ersten Einlassende (128) endet, eine erste Verengungsstelle (134), die einen ersten Durchmesser in einem Punkt aufweist, wo der erste konvergierende Abschnitt (130) und der erste divergierende Abschnitt (132) sich vereinigen, eine erste Expansionszone (138) mit einer ersten Expansionslänge (L2) zwischen der ersten Verengungsstelle (134) und dem ersten Auslassende (128); und wobei die stromaufwärtige Düse (110) ein zweites Einlassende (112) aufweist, ein zweites Auslassende (114), wobei das Reinigungsmedium in die stromaufwärtige Düse (110) durch das zweite Einlassende (112) eintritt und den Düsenblock durch das zweite Auslassende (114) verlässt, wobei die zweite Austragachse (122) im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse (125) des stromaufwärtigen Düsenblockkörpers (102) verläuft, einen zweiten konvergierenden Abschnitt (116) in der Nähe des zweiten Einlassendes (112), einen zweiten divergierenden Abschnitt (118), der mit dem zweiten konvergierenden Abschnitt (116) vereinigt ist und eine zweite Verengungsstelle (120) mit einem zweiten Durchmesser festlegt, eine zweite Expansionszone (124) mit einer zweiten Expansionslänge (L1) zwischen der zweiten Verengungsstelle (120) und dem zweiten Auslassende (114).
Düsenblock nach Anspruch 2, wobei sich das Verhältnis der ersten Expansionslänge (L2) zum ersten Durchmesser vom Verhältnis der zweiten Expansionslänge (L1) zum zweiten Durchmesser unterscheidet.
Düsenblock nach Anspruch 2, wobei sich das Verhältnis der ersten Expansionslänge (L2) zum ersten Durchmesser gleich dem Verhältnis der zweiten Expansionslänge (L1) zum zweiten Durchmesser ist.
Düsenblock nach Anspruch 2, wobei das Auslassende (114) der stromaufwärtigen Düse (110) im Wesentlichen innerhalb eines Zylinders zu liegen kommt, der durch die Außenseite (105) des Düsenblockkörpers (102) festgelegt ist.
Düsenblock nach Anspruch 2, wobei das Auslassende (128) der stromabwärtigen Düse (108) im Wesentlichen innerhalb eines Zylinders zu liegen kommt, der durch die Außenseite des Düsenblockkörpers (102) festgelegt ist.
Düsenblock nach Anspruch 1, wobei die stromaufwärtige Düse (110) einen Strom des Reinigungsmediums erzeugt, der in eine Richtung gerichtet ist, die diametral entgegengesetzt zur Richtung eines Stroms des Reinigungsmediums verläuft, der durch die stromabwärtige Düse (108) erzeugt ist.
Düsenblock nach Anspruch 1, wobei die hohle Innenseite (104) des Düsenblockkörpers (102) einen konvergierenden Kanal (142) mit kleiner werdender Querschnittsfläche an sämtlichen Punkten distal vom vorauseilenden Rand der stromabwärtigen Düse (108) festlegt.
Düsenblock nach Anspruch 8, wobei der konvergierende Kanal (142) zumindest teilweise durch einen konturierten Körper (144) festgelegt ist, der benachbart zum stromabwärtigen Düseneinlassende (128) angeordnet ist und eine Oberfläche des hohlen Innenraums des Düsenblockkörpers (102) festlegt.
Düsenblock nach Anspruch 9, wobei ein Vorderende (148) des konturierten Körpers (144) teilweise das Einlassende (126) der stromabwärtigen Düse festlegt.
Düsenblock nach Anspruch 1, wobei ein Tragflügelkörper (311) die stromaufwärtige Düse (110) umgibt und einen Teil des hohlen Innenraums des Düsenblockkörpers (102) festlegt.
Düsenblock nach Anspruch 11, wobei der Tragflügelkörper (311) eine stromaufwärtige Schräge (314A) zum Richten der Strömung des Reinigungsmediums ausgehend vom proximalen Ende des Düsenblocks zur stromaufwärtigen Düse (310), und eine stromabwärtige Schräge (314B) zum Richten des Reinigungsmediums in Richtung auf die stromabwärtige Düse (306) jenseits der stromaufwärtigen Düse (310) umfasst.
Düsenblock nach Anspruch 1, wobei das zu verwendende Reinigungsmedium zumindest teilweise aus Dampf besteht.
Düsenblock nach Anspruch 1, wobei das hohle Innere (104) des Düsenblockkörpers und die stromabwärtige Düse (108) eine Distanz (Y) gemessen entlang der Längsachse (125) des Düsenblockkörpers ausgehend von der Austragachse (136) der stromabwärtigen Düse zum distalen Ende (106) festlegt, und wobei die Distanz (Y) nicht wesentlich größer als die Hälfte des Durchmessers des Einlassendes (126) der stromabwärtigen Düse ist.
Düsenblock nach Anspruch 14, wobei die Strömung des Reinigungsmediums in Richtung der Längsachse (125) als positiv angenommen wird ausgehend vom proximalen Ende zum distalen Ende (106), und sobald das Reinigungsmedium in den Einlass (126) der stromaufwärtigen Düse eintritt, keine Strömung des Reinigungsmediums in der negativen Richtung vorliegt.
Düsenblock nach Anspruch 2, wobei die zweite Austragsachse (414) der stromaufwärtigen Düse ausgehend von der Senkrechten zur Düsenblockkörperlängsachse (407) in Richtung auf das proximale Ende schräg verläuft.
Düsenblock nach Anspruch 16, wobei die zweite Austragachse (414) eine gekrümmte Linie festlegt.
Düsenblock nach Anspruch 16, wobei die zweite Austragachse (518) eine gerade Linie festlegt.
Düsenblock nach Anspruch 17, wobei der Düsenblockkörper (402) eine im Wesentlichen gleichmäßige Wandungsdicke besitzt.
Düsenblock nach Anspruch 1, wobei die Strömung des Reinigungsmediums in das Einlassende der stromabwärtigen Längsachse (136) eine Strömung in positiver Richtung entlang einer Bezugsachse (Z) festlegt, und wobei, sobald die Strömung des Reinigungsmediums das Einlassende (126) der stromabwärtigen Düse (108) erreicht, keine Strömungskomponente des Reinigungsmediums in negativer Richtung entlang der Bezugsachse (Z) vorliegt.