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Hintergrund
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Dampfinjektor, zum
Einspritzen eines in hohem Maß unter
Druck gesetzten Wassers, der für
eine Kesselwasserzufuhr angepasst ist, die insbesondere in einem
Wasserzufuhrsystem in einem Notfall-Kernkühlungssystem, wie z.B. bei
einem Leichtwasserreaktor, verwendet wird.
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Ein
Dampfinjektor wird im allgemeinen für ein Wasserzufuhrsystem in
einer Dampflokomotive oder einem Kessel verwendet, wobei der Dampfinjektor von
einem Typ ist, bei dem ein Dampf in seinem zentralen Gebiet eingebracht
wird, oder von einem anderen Typ, bei dem ein Wasser in das zentrale
Gebiet eingebracht wird.
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Zunächst wird
unter Verweis auf 17 ein Typ des Dampfinjektors,
bei dem man den Dampf in seinem zentralen Gebiet strömen lässt, beschrieben. Insbesondere
weist ein Dampfinjektor, der in 17 gezeigt
ist, ein Gehäuse 302,
das mit einer Dampfeinlassöffnung 301 versehen
ist, und eine Dampfstrahldüse 304,
die mit einem Nadelventil 303 versehen ist, auf. Das vordere
Ende (rechts in der Zeichnung) der Dampfstrahldüse 304 ist in der
Nähe einer
Wassersaugöffnung 305 vorgesehen.
Eine Dampf-Wasser-Mischdüse 306 und
ein den Druck anhebender Diffusor 307 sind auf einer stromabwärtigen Seite
der Dampfstrahldüse 304 angebracht
und stehen mit einer Abgabeöffnung 309 über ein
Rückschlagventil 308 in
Verbindung. Die Dampf-Wasser-Mischdüse 306 ist
mit einem Halsbereich 310 versehen, an dem sich eine Overflow-Abgabeöffnung 312,
die mit einer Overflow-Wasserleitung 311 in Verbindung
steht, öffnet,
die andernfalls entsprechend dem Betrieb geschlossen ist.
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Bei
dem Dampfinjektor der oben beschriebenen Struktur wird, wenn das
Nadelventil 3003 aus der Dampfstrahldüse 304 durch die Betätigung eines Handgriffs 313,
der mit einem Ende, nämlich
dem linken Ende der Zeichnung, des Nadelventils 303 verbunden
ist, herausgezogen wird und der Dampf von der Dampfeinsaugöffnung 303 eingesaugt
wird und somit aus der Dampfstrahldüse 304 ausgestrahlt wird,
der Druck an der Wasseransaugöffnung 305 negativ
durch die Kondensation des Dampfs auf einen Wert unter Umgebungsdruck,
und das Wasser wird aus einem Tank oder ähnlichem angesaugt. Man lässt den
Dampf in die Dampf-Wasser-Mischdüse 306 strömen, während er
durch ein Wasser auf niedriger Temperatur (weniger als 70°C) kondensiert,
das von der Wassersaugöffnung 305 angesaugt
ist, und dann eine Wasserströmung
stromabwärts
am Halsbereich 310 bildet.
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Da
eine Enthalpie ηs des Dampfs um eine Menge, die der latenten
Verdampfungswärme
entspricht, höher
als eine Enthalpie ηl eines saturierten Wassers ist, wird die
latente Wärmeverdampfung
in kinetische Energie gewandelt, um dabei eine Wasserströmung hoher
Geschwindigkeit zu bilden. Wenn diese Wasserströmung hoher Geschwindigkeit
durch den Diffusor 307 gelangt, wird der Druck entsprechend
hydrodynamischer Theorie um eine Menge ΔP angehoben, die in der folgenden
Gleichung gezeigt ist: ΔP = (1/2)ρWUt 2,(wobei ρw =
die Dichte von Wasser; Ut = die Strömungsgeschwindigkeit der Wasserströmung bei
hoher Geschwindigkeit, die den Halsbereich passiert).
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Gemäß dieser
Gleichung kann durch den Dampfinjektor ein Abgabedruck erhalten
werden, der höher
als der Dampfzufuhrdruck ist. Wenn der Druck auf der Auslassseite
des Diffusors 307 ausreichend erhöht ist, öffnet sich das Rückschlagventil 308 automatisch,
um dabei das unter Druck gesetzte Wasser durch die Abgabeöffnung 309 auszustoßen.
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Bei
dem Dampfinjektor der oben beschriebenen Struktur konnte jedoch
nur ein Abgabedruck von etwa 7 × 10–4 kg/m2 (7 kg/cm2) G erzielt
werden, und ein solcher Abgabedruck ist ein Wert, der kaum für einen
Kessel einer Dampflokomotive verwendet werden kann. Es wird in Betracht
gezogen, dass die Ursache eines solchen begrenzten niedrigen Druckanstiegs
in der Tatsache liegt, dass die Querschnittsfläche in Längsrichtung, d.h. axial, der
Dampfstrahldüse 304 in
Richtung auf ihr vorderes Ende klein gehalten wird oder eng gehalten
wird.
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Verschiedene
Anstrengungen und Studien wurden durchgeführt, um den Abgabedruck zu
erhöhen,
der für
den Dampfinjektor für
ein Notfall-Kernkühlungssystem
verwendet wird. 18 zeigt auch ein herkömmliches
Beispiel, das auf der Grundlage dieser verschiedenen Anstrengungen
und Studien vorgesehen wurde.
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Der
in 18 gezeigte Dampfinjektor hat im wesentlichen
die identische Struktur wie derjenige aus 17, ist
jedoch nicht mit einem Nadelventil, wie demjenigen mit Referenzziffer 303 in 17, versehen.
Insbesondere weist der Dampfinjektor eine Struktur als ein Diffusor,
der einen in Richtung auf die stromabwärtige Seite des Dampfs nach
und nach zunehmenden inneren Durchmesser aufweist, auf, um dadurch
eine Überschalldampfströmung zu erhalten.
Eine zweite Düse
befindet sich weiter auf der Abgabeseite der Dampf-Wasser-Mischdüse 306, und
die Überströmungsabgabeöffnung 312 ist
auf der stromabwärtigen
Seite des Halsbereichs 310 geformt. Entsprechend dem Dampfinjektor
dieser Struktur ist es möglich,
den Abgabedruck in der Größenordnung
von etwa dem Sechs- oder dem Mehrfachen des in 17 gezeigten
Dampfinjektors zu erhalten.
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Wie
oben beschrieben, wird bei dem Dampfinjektor der Dampf mit dem Wasser
auf niedriger Temperatur gemischt, um dabei den Dampf zu kondensieren,
die somit freigegebene latente Verdampfungswärme wird in die kinetische
Energie gewandelt und dann in die Druckenergie, um das in hohem
Maß unter
Druck gesetzte Wasser zu erhalten. Entsprechend ist es für den Betrieb
des Dampfinjektors erforderlich, dass das Wasser, das zuzuführen ist,
eine Temperatur aufweist, die ausreichend niedrig ist, in dem Ausmaß, dass
sie den Dampf kondensieren kann, und gewöhnlicherweise weist das Wasser
eine Temperatur auf, die um etwa mehr als 70° C niedriger als die Dampfsaturierungstemperatur
liegt. Wenn der Dampfinjektor beispielsweise unter atmosphärischem
Druck betrieben wird, ist es erforderlich, ein Wasser zu verwenden,
das eine Temperatur von weniger als 30° C hat, da die Dampfsaturierungstemperatur
100° C ist.
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Wie
es aus den Strukturen der Dampfinjektoren und den Betriebsprinzipien
offensichtlich ist, wird gewünscht,
dass eine große
Temperaturdifferenz zwischen dem Dampf und dem Wasser vorhanden ist,
wenn sie miteinander in Kontakt gebracht werden. Bei den beschriebenen
herkömmlichen
Strukturen wird jedoch die Wärme
des Dampfs an das Wasser über
die Wand der Dampfinjektionsdüse
transferiert, so dass die Temperatur des Wassers im Vergleich zur Wassertemperatur
beim Zuführen
von Wasser hoch ist, weshalb die Temperaturdifferenz klein wird.
Da ferner die Wärme
des Dampfs in der Dampfstrahldüse
freigegeben wird, wird ein Teil des Dampfs kondensiert, wodurch
somit sein Volumen verringert wird, was zu einem Absinken der Strömungsgeschwindigkeit
des Dampfes führt.
Aufgrund dessen wird die Effizienz des Dampfinjektors an sich verringert,
und in einem ungünstigen
Fall kann der Dampfinjektor in seinem Betrieb angehalten werden.
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Ferner
wird bei dem Dampfinjektor, der nicht mit dem Nadelventil versehen
ist, ein Problem vorgesehen, dass eine Pulsation des Abgabedrucks
hervorgerufen wird, die in kurzer Periode variabel ist. Beim Anwenden
des Dampfinjektors für
ein Kernkraftwerk kann die durch die Druckpulsation erzeugte Oszillation
nachteilig den Dampfinjektor selbst und die anderen Aus rüstungsgegenstände oder
Leitungen beeinflussen, und daher wird es verlangt, eine solche
Druckpulsation zu reduzieren, um einen stabilen Betrieb des Kernkraftwerks
sicherzustellen.
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Da
die Druckpulsation des Dampfinjektors durch die Tatsache hervorgerufen
wird, dass der Dampf nicht stabil kondensiert wird, ist es erforderlich für das Verringern
der Druckpulsation, die Kondensation des Dampfs zu vereinfachen
und eine kontinuierliche Reaktion durchzuführen. Um dieses Ziel zu erzielen,
wird in Betracht gezogen, dass es effektiv ist, die Kontaktfläche zwischen
dem Dampf und dem Wasser zu erhöhen.
Die Kontaktfläche
zwischen dem Dampf und dem Wasser kann durch den hydraulischen äquivalenten
Durchmesser des vorderen Endes der Wasserdüse bestimmt werden. Der hydraulische äquivalente
Durchmesser entspricht einem Wert, der durch Teilen der Querschnittsfläche der Wasserdüsenöffnung durch
die Länge
der benetzten Umfangslänge
erhalten wird, und die Berührungsfläche kann
erhöht
werden, indem dieser Wert klein gemacht wird.
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Da
jedoch die Querschnittsfläche
durch die Kapazität
des Dampfinjektors bestimmt wird, ist bei der herkömmlichen
Düse vom
Rundtyp, bei der die benetzte Umfangslänge natürlicherweise der Umfangslänge der
Wasserdüsenöffnung entspricht,
die Querschnittsfläche
ebenfalls natürlich
bestimmt. Entsprechend kann festgehalten werden, dass das Erhöhen der
Kontaktfläche
zwischen der Dampfströmung
und der Wasserströmung
eine vorgegebene Grenze hat.
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19 und
20 zeigen
weitere Beispiele der Dampfinjektoren des Stands der Technik, bei
denen jeweils das Wasser durch das zentrale Gebiet des Dampfinjektors
strömt.
19 stellt
einen horizontalen Typ dar und
20 stellt
einen vertikalen Typ dar, wobei jedoch beide Dampfinjektoren im Grunde ähnliche
Strukturen zueinander aufweisen. Dies bedeutet, dass bei dem in
20 gezeigten Dampfinjektor
eine Wasserdüse
316 in
einem Körper
315 eingebracht
ist, der mit dem Gehäuse
302 verbunden
ist, und ein Nadelventil
303 in die Wasserdüse
316 eingesetzt
ist, wobei der Dampfdruck zusammen mit einem Dampf von einer angrenzenden Dampfsaugöffnung durch
eine Dampf-Wasser-Mischdüse
306,
die auf der stromabwärtigen
Seite der Wasserdüse
316 angebracht
ist, erhöht
wird. Der in
20 gezeigte Dampfinjektor weist
im wesentlichen die gleiche Struktur wie derjenige aus
19 aus,
ist jedoch nicht mit dem Nadelventil versehen. Ein Dampfinjektor,
der in
20 gezeigt ist, ist in der
JP 01196000 beschrieben,
welche den Oberbegriff von Anspruch 1 bildet.
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In
einem Fall, in dem die herkömmlichen Dampfinjektoren
als Notfallwasserzufuhrsysteme verwendet werden, gelten der Betriebszustand
und der Druck als variable Faktoren im Gleichgewicht für Zustände auf
der Wasserzufuhrseite, so dass es auf der Injektorseite erforderlich
ist, einen eingestellten Druck sobald als möglich zu erreichen und einen
stabilen Betrieb während
langer Zeit zu halten. Ferner ist es gewünscht, die Anfahrcharakteristik
aus dem Betrieb frei von einem komplizierten Regelungssystem zu
steuern. Ferner ist es bei einem Dampfinjektor, der als Fluidantriebsquelle
verwendet wird, erforderlich, dass der Dampfinjektor stabile Einspritzbedingungen hält.
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Bei
der herkömmlichen
Struktur des Dampfinjektors gibt es einen Fall, in dem der Einspritzzustand
des Dampfinjektors die festgesetzte Leistung in einem bestimmten
Zeitintervall unmittelbar nach dem Betrieb des Dampfinjektors erreicht
und bei dem der Einspritzdruck absinkt, wenn die Zeit danach weitergeht.
Man meint, dass dies auf die Deformation zwischen der Dampfdüse und der
Mischungsdüse aufgrund
der Temperaturvariation und die Druckvariation in den Zeitdauern
des Wartezustands und des Betriebszustands zurückzuführen ist. Entsprechend wird
ein Vermeiden einer solchen Deformation zur Verbesserung der Betriebscharakteristika
führen.
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Wenngleich
die Justierungen der Strömungsrate
und des Drucks durch die Position des Nadelventils behandelt werden
können,
wird die Leistung des Dampfinjektors merklich durch das Positionsverhältnis zwischen
der Dampfdüse
und der Dampf-Wasser-Mischdüse
beeinflusst und es ist somit erforderlich, dieses Positionsverhältnis höchst wünschenswert
zu halten. Bei den herkömmlichen Dampfinjektoren
unterscheiden sich jedoch die Betriebstemperaturen voneinander während der
Anfahrzeit bei einer normalen Temperatur und während der Betriebszeit bei
hoher Temperatur. Diese Temperaturdifferenz führt zu der Veränderung
des Positionsverhältnisses,
was nachteilig die ursprünglich
erwartete Leistung beeinträchtigt.
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Ferner
werden bei den herkömmlichen Dampfinjektoren,
bei denen jeweils das Nadelventil vorgesehen ist und das Nadelventil
versetzt wird, um die Strömungsfläche der
Wasserzufuhrdüse
zu justieren und zu verändern,
um die optimale Abgabeleistung zu erhalten, die Strömungsflächen des
Dampfs am Dampfstrahldüsenbereich
rasch eingeengt, wodurch die Überschalldampfströmung hervorgerufen wird.
Aus diesem Grund kann aufgrund der Überschalldampfströmung eine
Abnutzung an der äußeren Wandoberfläche der
Wasserzufuhrdüse,
welche den Dampfstrahldüsenbereich
bildet, und an der inneren Wandoberfläche des Gehäuses des Dampfinjektors hervorgerufen
werden, und ferner wird durch die Hochgeschwindigkeitswasserströmung eine
Erosion an einem Gebiet der Wandoberfläche des Halsbereichs hervorgerufen,
der auf der stromabwärtigen Seite
des Dampfstrahldüsenbereichs
liegt, was somit Abnutzung an diesem Bereich bewirkt.
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Wenn,
wie beschrieben, die Abnutzung an dem jeweiligen Wandbereich voranschreitet, ändert sich
die Strömungsfläche an sich,
und somit verändert
sich das Gleichgewicht der Strömungsraten
des Wassers und des Dampfs nach und nach, was zu einer Verschlechterung
der Leistung des Dampfinjektors führt. In Bezug auf die Dampf-Wasser-Mischdüse wird
es schwierig, eine stabile Kondensation des Dampfs sicherzustellen.
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Diese
Probleme werden auch signifikant für das Wasserzufuhrsystem eines
Notkernkühlsystems eines
Kraftwerks beispielsweise, das hohe Zuverlässigkeit und Leistung erfordert.
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US 2,223,242 offenbart eine
Dampfstrahlabgabeeinrichtung, die für korrosive, sauere Dämpfe geeignet
ist. Die Dampfabgabeeinrichtung enthält eine Karbondüse, die
an ihrem Endbereich, der in den Körper der Abgabeeinrichtung
vorspringt, eingeschlossen ist und korrosiven, saueren Dämpfen ausgesetzt
ist, was durch ein Gehäuse
aus Lava oder lavaartigem Material erreicht wird. Der Ausdruck "Lava" oder "Lavamaterial" umfasst einen Teil
von natürlicher
und künstlicher
Lava und lavaartigem Material, Steinmaterialien und Kunststoffmaterialien.
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US 1,328,139 offenbart eine
hydraulische Wasserdüsenvorrichtung,
welche eine Wasserdüse enthält, die
innerhalb einer Dampfeinspritzdüse
und konzentrisch dazu angebracht ist. Die Wasserdüse wird
durch ein Schutzschild umgeben, das als ein Isolator wirkt, damit
verhindert wird, dass der Dampf direkt in Kontakt mit der Düse gelangt
und folglich dadurch abgekühlt
wird.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, im wesentlichen die
Mängel
oder Nachteile zu umgehen, die beim Stand der Technik auftreten,
und den Dampfinjektor mit einer verbesserten Betriebsleistung, insbesondere
verbesserter Betriebsstabilität und
Sicherheit, vorzusehen.
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Eine
Lösung
dieser Aufgabe der Erfindung wird durch einen Dampfinjektor gemäß beigefügtem Anspruch
1 erreicht.
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Indem
die Dampfstrahldüse
mit einer wärmeisolierenden
Struktur versehen wird, kann der Wärmetransfer durch die Wand
der Dampfstrahldüse minimiert
werden, was somit den Wärmetransfer
vom Dampf an das Wasser verhindert und somit eine Dampfkondensation
und einen Anstieg der Wassertemperatur verhindert. Ferner können die
Strömungsgeschwindigkeit
des Dampfs und die Wassertemperatur geeignet gehalten werden. Da
die Temperaturdifferenz beim Mischen des Dampfs und des Wassers
groß gemacht
werden kann, kann der Betrieb somit stabilisiert werden.
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Die
beigefügten
Unteransprüche
2 bis 4 sind auf vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Dampfinjektors
gerichtet.
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Die
weiteren Eigenheiten und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden
durch die folgende Beschreibung weiter klargestellt, die unter Bezug
auf die beigefügten
Zeichnungen gegeben wird.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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In
den beigefügten
Zeichnungen ist folgendes gezeigt:
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1 zeigt
einen Längsquerschnitt
einer Ausführungsform
eines Dampfinjektors gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 ist
ein Längsquerschnitt
eines Hauptbereichs, in einem vergrößerten Maßstab, des Dampfinjektors aus 1;
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3 und 4 sind
Ansichten ähnlich
zu denjenigen von 2, beziehen sich jedoch auf
Ausführungsformen,
die nicht Teil der vorliegenden Erfindung sind;
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5 zeigt
eine Seitenquerschnittsansicht einer anderen Ausführungsform
eines Dampfinjektors, der nicht Teil der vorliegenden Erfindung
ist;
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6A ist
ein abgebildeter Querschnitt einer Wasserdüse des Dampfinjektors aus 5;
und
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6B ist
ein Querschnitt entlang der Linie IXXB-IXXB aus 6A;
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7A und 7B sind
Ansichten ähnlich zu
denjenigen von 6A und 6B, beziehen sich
jedoch auf eine Modifikation der Ausführungsform von 6A und 6B;
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8 ist
ein Diagramm, das charakteristische Merkmale der Wasserdüsen aus 6 und 7 im Vergleich
zu einer herkömmlichen
Technik zeigt;
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9 zeigt
einen Vorderansichtquerschnitt eines Dampfinjektors, der nicht Teil
der vorliegenden Erfindung ist;
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10 ist
eine Seitenansicht eines Hauptbereichs, in einem vergrößerten Maßstab, des
Dampfinjektors aus 9;
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11 ist
ein Seitenansichtsquerschnitt ähnlich
zu demjenigen aus 9, bezieht sich jedoch auf einen
anderen Dampfinjektor, der nicht Teil der vorliegenden Erfindung
ist;
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12 und 13 sind
Längsquerschnitte eines
Hauptbereichs, in vergrößerten Maßstäben, eines
Dampfinjektors, der nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist;
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14, 15 und 16 sind
Ansichten ähnlich
zu denjenigen von 12 oder 13, beziehen
sich jedoch auf modifizierte Ausführungsformen, die nicht Teil
der vorliegenden Erfindung sind; und
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17 bis 20 sind
Seitenquerschnittsansichten und Längsquerschnittsansichten von Dampfinjektoren
gemäß dem Stand
der Technik.
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Eine
erste Ausführungsform
des Dampfinjektors gemäß der vorliegenden
Erfindung wird anschließend
unter Verweis auf 1 und 2 beschrieben,
die ähnlich
hinsichtlich des Typs zum Dampfinjektor von 17 ist,
bei dem ein Nadelventil eingebaut ist, und der Hauptunterschied
liegt im Ort der Dampfstrahldüsenwand,
die einen hohlen Bereich oder eine Struktur 115 aufweist.
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Bezugnehmend
auf 1 und 2 weist ein Dampfinjektor ein
Gehäuse 102 auf,
das eine Dampfeinlassöffnung 101 aufweist,
und eine Dampfstrahldüse 104,
die ein Nadelventil 103 beinhaltet, ist in dem Gehäuse 102 angebracht.
Eine Wassersaugöffnung 105 ist
in der Nähe
der Dampfstrahldüse 104 geformt,
und eine Dampf-Wasser-Mischdüse 106 ist auf
der stromabwärtigen
Seite, auf der rechten Seite in der Zeichnung, der Wassersaugöffnung 105 angebracht.
Eine Abgabeöffnung 108 ist
weiter für
das Gehäuse 102 auf
einer weiter stromabwärtigen
Seite der Dampf-Wasser-Mischdüse 106 über einen
Diffusor 107 angebracht, der zum Erhöhen eines Drucks des Dampfs
angebracht ist. Eine Überströmungsabgabeöffnung 112 öffnet sich
zu einem Halsbereich 109 des Diffusors 107. Die
Dampfstrahldüse 104 ist mit
einem hohlen Wandbereich 115 als einer Struktur mit geschlossenem
Raum versehen, so dass eine sogenannte doppelwandige Struktur vorgesehen
wird.
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Bei
dem Dampfinjektor der oben beschriebenen Struktur wird, wenn der
Dampf in das Gehäuse 102 über die
Dampfeinlassöffnung 101 zugeführt wird
und das Nadelventil 103 aus der Dampfstrahldüse 104 durch
Betätigen
eines Handgriffs 113 zurückgezogen ist, der Dampf aus
der Dampfstrahldüse 104 ausgestoßen, durch
ein Wasser auf niedriger Temperatur, das von der Wassersaugöffnung 105 angesaugt
wird, kondensiert, und dann lässt
man ihn in die Dampf- Wasser-Mischdüse 106 strömen, wodurch eine
Hochgeschwindigkeitsströmung
am Halsbereich 110 gebildet wird.
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Bei
dieser Ausführungsform
wird ein hohler Bereich oder eine Struktur 115 an der Wandstruktur der
Dampfstrahldüse 104 geformt.
Gemäß dieser Struktur
wird durch die Wandstruktur der Düse zwischen dem Dampf, der
durch die Dampfstrahldüse 104 gelangt,
und dem Wasser, das aus der Wassersaugöffnung 105 angesaugt
wird, der Wärmetransfer im
wesentlichen unterdrückt,
wodurch merklich der Temperaturunterschied zwischen dem Dampf und dem
Wasser, die beide in der Dampf-Wasser-Mischdüse 106 gemischt werden,
aufrechterhalten wird.
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Gemäß dieser
Ausführungsform
wird der Dampf nicht in der Dampfstrahldüse 104 kondensiert, da
die Wärme
im wesentlichen nicht vom Dampf an das Wasser übertragen wird, und die Strömungsgeschwindigkeit
des Dampfs kann geeignet gehalten werden, wodurch eine übermäßige Menge
von Dampfzufuhr verringert wird. Ferner kann der Temperaturanstieg
des zugeführten
Wassers vor dem Mischen mit dem Dampf verhindert werden, und die Temperaturdifferenz
beim Mischen kann geeignet gehalten werden. Entsprechend wird die
Wassertemperatur nicht unnötig
gesenkt und die Kondensation des Dampfs in der Dampf-Wasser-Mischdüse kann
sichergestellt werden, wodurch der stabile Betrieb des Dampfinjektors
aufrechterhalten wird.
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Dampfinjektoren,
die nicht Teil der vorliegenden Erfindung sind, werden weiter anschließend unter
Verweis auf 3 und 4 beschrieben,
die ähnlich
zu 1 sind und in denen entsprechende Referenzziffern
den Bereichen oder Elementen verliehen sind, die denjenigen der
ersten Ausführungsform
entsprechen.
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Bei
der Ausführungsform
von 3 ist ein Wandstrukturelement 116 auf
der äußeren Oberfläche der
Dampfstrahldüse 104 angebracht,
und bei der Ausführungsform
aus 4 ist ein Wandstrukturelement 117 auf
der inneren Oberfläche
der Dampfstrahldüse 104 angebracht.
Bei einer modifizierten Ausführungsform
können
diese Wandstrukturelemente 116 und 177 beide für die Dampfstrahldüse 104 vorgesehen
sein. Es ist wünschenswert,
vollständig
den Raum durch diese Wandstrukturelemente 116 und 117 zu
schließen,
wobei jedoch ein kleiner Spalt erlaubt sein kann. Aus diesem Grund
wird es gewünscht,
die Wandstrukturelemente 116 und 117 mit einem
Material zu konstruieren, das eine bessere Wärmeisolationseigenschaft aufweist,
wie z.B. mit Keramik.
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Gemäß den Ausführungsformen
können
im wesentlichen die gleichen Funktionen und Wirkungen erwartet werden,
wenn der vollständig
den Wärmetransfer
verhindernde Zustand hergestellt ist, wobei jedoch im Fall des kleinen
Spalts der Wärmetransfer
zwischen dem Dampf und dem Wasser im Vergleich zu metallischem Material
verringert werden kann.
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Ferner
kann die Wandstruktur der Dampfstrahldüse 104 ähnlich derjenigen
der herkömmlichen
Struktur gemacht werden, ohne irgendein Mittel, wie z.B. eine hohle
Struktur oder Wandstrukturelemente vorzusehen, wobei sie jedoch
aus Keramik gebildet wird, was einen thermischen Leitfähigkeitskoeffizienten
aufweist, der beträchtlich
kleiner als derjenige eines metallischen Materials ist, um dadurch
die Wärmeisolationswirkung
zu erzielen.
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Gemäß den beschriebenen
Ausführungsformen
ist die Wandstruktur der Dampfstrahldüse, die gewöhnlich aus einem metallischen
Material geformt ist, das im allgemeinen einen hohen thermischen Leitfähigkeitskoeffizienten
aufweist, so gebildet, dass sie einen hohlen Bereich hat, der vakuumiert
ist oder in den ein Gas auf niedrigem Druck eingefüllt ist,
um den Wärmetransfer
zu verhindern, oder die Wandstruktur kann als eine Honigwabenstruktur
gebildet sein, wodurch der Wärmetransfer
verhindert oder limitiert werden kann. Entsprechend kann der Anstieg der
Temperatur in der Dampfstrahldüse
vorzugsweise vor dem Kondensieren des Dampfs darin verhindert werden,
wodurch die Temperaturdifferenz beim Mischen groß gehalten werden kann, was
somit einen Dampfinjektor vorsieht, der hohe Leistung und Zuverlässigkeit
besitzt.
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Ein
anderer Dampfinjektor, der nicht Teil der vorliegenden Erfindung
ist, wird weiter unter Verweis auf 5 und 6 beschrieben, in denen kein Nadelventil
eingebaut ist und in denen entsprechende Referenzziffern denjenigen
Elementen gegeben sind oder denjenigen Bereichen gegeben sind, die
denen aus 1 und 2 entsprechen.
In 5 ist ein vertikal angeordneter Dampfinjektor
dargestellt, wobei jedoch diese Ausführungsform auch für einen
horizontal angeordneten Dampfinjektor angepasst werden kann.
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Bezugnehmend
auf 5 ist das Gehäuse 102 mit
der Dampfeinlassöffnung 101,
der Wassersaugöffnung 105 und
einer Überströmungsabgabeleitung 111 versehen,
und innerhalb des Gehäuses 102 sind
die Dampfstrahldüse 104 und
eine sternförmige
Wasserdüse 118 angebracht.
Die Dampf-Wasser-Mischdüse 106 ist
auf der Abgabeseite der Dampfstrahldüse 104 und der Wasserdüse 118 angebracht,
und der mit dem Halsbereich 110 versehene Diffusor 107 ist
ebenfalls auf der Abgabeseite der Dampf-Wasser-Strahldüse 106 angeordnet.
Eine Überströmungs abgabeöffnung 112 ist
auf der stromabwärtigen
Seite der Dampf-Wasser-Mischdüse 106 vorgesehen.
Die Überströmungsabgabeöffnung 112 und
die Überströmungsabgabeleitung 111 stehen miteinander
in Verbindung.
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Die
sternförmige
Wasserdüse 118 ist
in 6A und 6B dargestellt
und besitzt ein vorderes Ende, das linke Ende in den Zeichnungen,
das in einer Draufsicht in einer sternförmigen Gestalt geformt ist.
Entsprechend einer solchen sternförmigen Struktur der Wasserdüse 118 wird
ein hydraulischer äquivalenter
Durchmesser klein, und eine Fläche,
mit welcher der Dampf in Berührung
gelangt, ist aufgrund der Tatsache, dass die Oberfläche des
Wasserstrahls aus der sternförmigen
Wasserdüse 118 mit
Blasen versehen ist, erhöht,
was somit die Kondensation des Dampfs vereinfacht. Entsprechend
kann die Druckpulsation des Dampfs durch das Anordnen der sternförmigen Wasserdüse 118 verringert
werden.
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7 zeigt eine Modifikation von 6, in der eine Wasserdüse 119 mit mehreren
Löchern
statt der sternförmigen
Wasserdüse 118 aus 6 vorgesehen ist, und die Wasserdüse 119 mit
mehreren Löchern
wird durch Ausbilden einer Mehrzahl von Löchern 121 (vier in
der dargestellten Ausführungsform)
durch Teilen des vorderen Endes einer herkömmlichen konischen Wasserdüse vom Rundtyp durch
ein Teilelement 120 geformt. Die andere Struktur des Dampfinjektors
aus 7 ist im wesentlichen die gleiche
wie diejenige von 5 und 6.
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Gemäß dieser
Modifikation wird der hydraulische äquivalente Durchmesser verringert
und entsprechend ist eine Kontaktfläche für den Dampf erhöht, da das
aus den Löchern 121 der
Wasserdüse 119 ausgestrahlte
Wasser in vier feine Wasserstrahlen geteilt ist, was somit die Kondensation
vereinfacht. Die Druckpulsation kann ebenfalls verringert werden,
indem diese Wasserdüse 119 mit
mehreren Löchern
an einem Bereich angebracht wird, an dem eine herkömmliche
Wasserdüse
angeordnet ist.
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8 zeigt
ein Diagramm, in dem experimentelle Ergebnisse von den Verwendungen
der sternförmigen
Wasserdüse
und der Wasserdüse
mit den mehreren Löchern
gezeigt sind, wobei der hydraulische äquivalente Durchmesser im Vergleich
zu der herkömmlichen
konischen Wasserdüse
vom Rundtyp verringert ist. Bezugnehmend auf 8 stellt
die vertikale Achse eine Druckpulsation (kg/m2 (kg/cm2)) dar, und die horizontale Achse stellt
einen hydraulischen äquivalenten
Durchmesser (mm) dar. Wie aus diesem Diagramm zu erkennen ist, kann
die Druckpulsation merklich auf etwa die Hälfte verringert werden, indem
das vordere Ende der Wasserdüse derart
geformt wird, dass es eine sternförmige Struktur oder eine Struktur
mit mehreren Löchern vorsieht.
In 8 sind die Buchstaben a, b und c jeweils Werte
von 7,6 mm, 9,5 mm und 16,2 mm, was somit die Effektivität der vorliegenden
Erfindung bestätigt.
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Ein
anderer Dampfinjektor, der nicht Teil der vorliegenden Erfindung
ist, ist in 9 und 10 gezeigt.
Wie aus 9 zu erkennen ist, ist der Dampfinjektor
dieser Ausführungsform
von einem Typ, der ähnlich
zu demjenigen von 19 ist, ist jedoch vertikal
angeordnet und eine wiederholte Erklärung von Bereichen wird nun
weggelassen, soweit sie nicht die vorliegende Ausführungsform
betrifft.
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Bezugnehmend
auf 9 und 10 ist im allgemeinen bei einem
dargestellten Dampfinjektor ein Gehäuse 203 aus einer
oberen Gehäusehälfte 203a und
einer unter Gehäusehälfte 203b gebildet, und
eine Dampfeinlassöffnung 201 und
eine Wasserzufuhröffnung 202 sind
an dem unteren Gehäuse 203b geformt.
Die Gehäusehälften 203a und 203b sind
zu einem Stück
durch Schrauben und Mutteranordnungen 203c und 203d zusammengefügt. Die Dampfeinlassöffnung 201 ist
an einem Bereich 201a mit Flansch gebildet, der an dem
unteren Gehäuse 203b über eine
Leitung 201b befestigt ist.
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Die
Wasserzufuhröffnung 202 ist
an einem Bereich 202a mit Flansch geformt, der an dem unteren
Gehäuse 203b befestigt
ist. In dem oberen Gehäuse 203a ist
ein Ventilschaft 204a zum Stützen eines Nadelventils 204 durch
Schrauben 204b befestigt. Das Nadelventil 204 ist
an dem die Wasserdüse justierenden
Handgriff 214 befestigt. Eine Schaftdichtung 204c ist
auf der Seitenoberfläche
des Nadelventils 204 angebracht, und die Schaftdichtung 204c wird
durch eine Dichtungsdruckkappe 204d gedrückt, die
an dem oberen Bereich des oberen Gehäuses 203a befestigt
ist. Ein Halter 216 ist ebenfalls an dem unteren Bereich
des die Wasserdüse
justierenden Handgriffs 214 montiert, und der Halter 216 ist
an dem oberen Bereich des oberen Gehäuses 203a durch Schrauben 217 befestigt
und auch an seinem Ende an einem Stützstab 218 angebracht.
Das vordere Ende des Stützstabs 218 ist
mit dem oberen Gehäuse 203 über einen
Stift 219 verbunden. Die Dampfzufuhrdüse 205 ist an der
inneren Oberfläche des
unteren Gehäuses 203b durch
Schrauben 205a befestigt. Die Beschreibung von solchen
Konstruktionen kann selektiv auf Ausführungsformen angewendet werden,
die vorher beschrieben wurden und in den jeweiligen Figuren dargestellt
sind.
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Weiter
ist bezugnehmend auf 9 und 10 das
Nadelventil 204 in der Wasserzufuhrdüse 204 angebracht.
Die Dampfstrahldüse 206 ist
zwischen der Wasserzufuhrdüse 205 und
dem Gehäuse 203 geformt,
und eine Dampf-Wasser-Mischdüse 207,
ein Halsbereich 208 und ein Diffusor 209 sind auf
der stromabwärtigen
Seite der Dampf-Wasser-Mischdüse 206 angebracht.
Bei dem Dampfinjektor der oben beschriebenen Struktur sind an der Wand
des Gehäuses 203,
das die Wasserzufuhrdüse 205 und
die Dampfstrahldüse 206 bildet,
und an den Oberflächen
der Dampf-Wasser-Mischdüse 207,
des Halsbereichs 208 und des Diffusors 209 abnutzungswiderstandsfähige Wände 211 gebildet,
die aus dem abnutzungswiderstandsfähigen Material, wie z.B. Keramik,
CRA (Kobaltersatzlegierung) oder CFA (Kobalt freie Legierung) geformt
sind, und die Wasserzufuhrdüse 205 ist
auch aus dem abnutzungswiderstandsfähigen Material der oben beschriebenen
Art geformt.
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Gemäß der oben
beschriebenen Struktur kann, wenngleich der von der Dampfeinlassöffnung 201 zugeführte Dampf
eine Überschallströmung beim
Passieren der Dampfstrahldüse 206 wird,
die Abnutzung durch diese Überschallströmung verhindert
oder unterdrückt
werden, da die Wasserzufuhrdüse 205 aus
dem abnutzungswiderstandsfähigen Material
geformt ist und die abnutzungswiderstandsfähige Wandstruktur 211 für die erforderlichen
Bereiche in dem Gehäuse 203 angepasst
ist. Danach wird die Wasserströmung,
welche durch die Dampf-Wasser-Mischdüse 207 gelangt, zu
einer Hochgeschwindigkeitswasserströmung am Halsbereich 208,
und eine Erosion wird somit an diesen Bereichen hervorgerufen, wobei
jedoch die abnutzungswiderstandsfähigen Wände 211 auf der Innenseite
dieser Dampf-Wasser-Mischdüse 207,
dem Halsbereich 208 und dem Diffusor 209 geformt
sind, wodurch die Abnutzung aufgrund einer solchen Erosion, die
durch die Hochgeschwindigkeitswasserströmung hervorgerufen wird, vorzugsweise
verhindert werden kann.
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Der
Dampfinjektor, der eine solche abnutzungswiderstandsfähige Struktur
aufweist, kann somit für
eine Wasserzufuhreinrichtung in einem Notfallkernkühlungssystem
in einem Atomkraftwerk angewendet werden, was eine hohe Zuverlässigkeit und
hohe Leistung erfordert.
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11 stellt
einen anderen Dampfinjektor dar, der nicht Teil der vorliegenden
Erfindung ist, bei dem entsprechende Referenzziffern für Bereiche oder
Elemente verliehen sind, die denjenigen entsprechen, die in 9 gezeigt
sind.
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Bei
der Ausführungsform
von 11 ist eine Handgriffanordnung 213 vorgesehen,
um die Dampfdüse
zu justieren, welche so arbeitet, dass die Wasserzufuhrdüse 215 vertikal,
d.h. axial, versetzt wird, um dadurch die Dampfströmungsfläche im Inneren des
Gehäuses 203 zu
kontrollieren. Diese Justierhandgriffanordnung 213 für die Dampfdüse ist an dem
oberen Gehäuse 203a über eine
Blechplatte 220 durch eine Schrauben- und Mutteranordnung 203c und 203d montiert.
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Insbesondere
sieht diese Ausführungsform den
Dampfinjektor vor, bei dem die Wasserzufuhrdüse 215, die mit dem
Nadelventil 204 versehen ist, an dem unteren Gehäuse 203b angeordnet
ist, das die Dampfeinlassöffnung 201 aufweist,
die Dampfstrahldüse 206 zwischen
der Wasserzufuhrdüse 215 und dem
Gehäuse 203 definiert
ist, und die Dampf-Wasser-Mischdüse 207,
der Halsbereich 208 und der Diffusor 209 auf der
stromabwärtigen
Seite der Dampfstrahldüse 206 angebracht
sind, und bei einem solchen Dampfinjektor sind die abnutzungswiderstandsfähigen Wandstrukturen
aus dem abnutzungswiderstandsfähigen
Material, wie z.B. Keramik, CRA oder CFA, an den Wandoberflächen der
Wasserzufuhrdüse 215 und
dem Gehäuse 203,
die die Dampfstrahldüse 206 bilden,
geformt, und sind auch auf der Seite der Dampf-Wasser-Mischdüse 207,
des Halsbereichs 208 und des Diffusors 209 geformt.
Die Wasserzufuhrdüse 205 ist
ebenfalls aus dem beschriebenen abnutzungswiderstandsfähigen Material
geformt. Ein Leitblech 212 ist an der Dampfstrahldüse 206 montiert,
um eine Wirbelströmung
des Dampfs zu formen, so dass verhindert wird, dass das Wasser die
Wandoberfläche
am Bereich 207 der Dampf-Wasser-Mischdüse berührt.
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Wenngleich
der Dampf eine Überschallströmung dann
bildet, wenn der von der Dampfeinlassöffnung 201 zugeführte Dampf
durch die Dampfstrahldüse 206 passiert,
kann die Abnutzung aufgrund der Überschallströmung des
Dampfs aufgrund des Vorsehens der abnutzungswiderstandsfähigen Wandstruktur
der Wasserzufuhrdüse 205 und
des Gehäuses 203 verhindert
werden. Ferner bildet der Dampf eine Hochgeschwindigkeitswasserströmung am Halsbereich 208 durch
die Dampf-Wasser-Mischdüse 206,
und in diesen Bereichen wird Erosion hervorgerufen, wobei jedoch
die abnutzungswiderstandsfähigen
Wandstrukturen 211 an den innenliegenden Bereichen gebildet
sind, welche mit der Wasserströmung
in der Dampf-Wasser-Mischdüse 207,
dem Halsbereichs 208 und dem Diffusor 209 in Berührung gelangen,
wodurch die Abnutzung aufgrund der Erosion, die durch die Hochgeschwindigkeitswasserströmung hervorgerufen
wird, verhindert wird.
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Ferner
bildet der Dampf, der durch die Dampfstrahldüse 206 durch die Dampfeinlassöffnung 201 gelangt,
eine Wirbelströmung
an der Dampf-Wasser-Mischdüse 207 durch
das Anordnen der Leitschaufel 202 und das aus der Wasserzufuhröffnung 202 durch
die Wasserzufuhrdüse 205 zugeführte Wasser
wird ebenfalls durch den Einfluss einer solchen Dampfwirbelströmung verwirbelt
und mit dem Dampf am zentralen Bereich davon vermischt, wodurch
eine stabile latente Wärme
des Dampfs erhalten wird.
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Gemäß dieser
Ausführungsform
kann die Zuverlässigkeit
des Dampfinjektors verbessert werden, indem effektiv die Abnutzung
verhindert wird, und seine Leistung kann ebenfalls verbessert werden,
indem die Strömung
des Dampfs verwirbelt wird, wodurch der Dampfinjektor beispielsweise
an einer Wasserzufuhreinheit eines Notfallkernkühlungssystems eines nuklearen
Reaktors angewendet werden kann, was eine hohe Zuverlässigkeit
bei hoher Leistung erfordert.
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Ein
anderer Dampfinjektor, der nicht Teil der vorliegenden Erfindung
ist, wird anschließend
unter Verweis auf 12 bis 16 beschrieben,
die Strukturen oder Bereiche des Dampfinjektors zeigen, die für diese
Ausführungsform
erforderlich sind, und in denen andere Bereiche und Strukturen,
die im wesentlichen denjenigen der früheren Ausführungsformen entsprechen, weggelassen
sind.
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Insbesondere
ist bei dieser Ausführungsform der
Dampfinjektor mit einer Steuerrippe 429 an einem Bereich,
an dem die Dampfströmung
möglicherweise
verweilt, auf der Außenseite
der Dampfstrahldüse 404 und
der Innenseite der Dampf-Wasser-Mischdüse 406 versehen.
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Bezugnehmend
auf 13 strömt
beim Betriebsstart des Dampfinjektors ein Speisewasser 431 mit
niedriger Temperatur in die Dampfstrahldüse 404, und die Speisewasserströmung 431 wird
in die Hochdruckdampfströmung
aufgrund der Kondensation der Niederdruckdampfströmung 430 im
Inneren der Dampf-Wasser-Mischdüse 406 gewandelt.
Die umgewandelte Dampfströmung
wird danach an der stromabwärtigen
Seite abgegeben. Die Dampfströmung
wird beschleunigt, während
sie durch das engste Gebiet A zwischen der Dampfstrahldüse 404 und
der Dampf-Wasser-Mischdüse 406 gelangt,
und dann als eine Überschallhochtemperaturdampfströmung ausgeblasen.
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In
diesem Betrieb wird, wie es in 14 gezeigt
ist, anfänglich
ein Spalt zwischen der Dampfstrahldüse 404 und der Dampf-Wasser-Mischdüse 406 geformt,
um den optimalen Betriebszu stand aufrechtzuerhalten. Der Strömungsdurchlass
ist jedoch durch die thermische Expansion oder Deformation der Dampf-Wasser-Mischdüse aufgrund
der Temperatur- und Druckänderungen
der Dampf-Wasser-Mischdüse 406 entsprechend
dem Voranschreiten des Betriebs verengt, wie es durch einen Buchstaben
B angegeben ist, was somit die Dampfabgabemenge verändert. Um
ein solches Phänomen
der Deformation zu verhindern, ist die Steuerrippe 429 an der
Dampf-Wasser-Mischdüse 406 bei
dieser Ausführungsform
angebracht, wie es in 15 und 16 gezeigt
ist. Insbesondere wenn sich die Temperatur nach dem Betriebsstart ändert, wird
zunächst die
Steuerrippe 429 thermisch expandiert und deformiert, wie
es durch Referenzziffer 433 in 16 gezeigt
ist, um dadurch das erforderliche Strömungsgebiet sicherzustellen
und die Leistungsänderung
aufgrund der Deformation der Dampf-Wasser-Mischdüse 406 zu unterdrücken.
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In
Abwandlung dieser Ausführungsform kann
es möglich
sein, den Dampfinjektorkörper
derart zu konstruieren, dass er anfänglich mit den Merkmalen der
Steuerrippe 429 versehen ist, und insbesondere kann ein
Körper
vorgesehen sein, der eine Steifigkeitseigenschaft aufweist, um an
sich die Temperatur- und Druckveränderungen der Dampf-Wasser-Mischdüse 406 während der
Betriebsdauer zu absorbieren. Entsprechend kann es möglich sein, den
Körper
zu konstruieren, dass er den Spalt zwischen der Dampfstrahldüse 404 und
der Dampf-Wasser-Mischdüse 406 in
Abhängigkeit
von dem fortschreitenden Betrieb des Dampfinjektors aufweitet, wodurch
die Dampfabgabeleistung entsprechend kontrolliert werden kann, um
das rasche Anfahren zu verbessern. Es ist daher erforderlich, die Steuerrippe 429 mit
einem Material zu bilden, das einen thermischen Expansionskoeffizienten
aufweist, welcher größer als
derjenige eines Materials der Düsenbereiche
ist. Aus diesem Grund ist es gewünscht, die
Steuerrippe aus einem Material, wie z.B. einer Legierung mit niedriger
thermischer Expansion aus einer Ferritserie oder aus Keramik, zu
bilden. Bei einer Modifikation kann eine federnde oder elastische Struktur
angewendet werden. In einem Fall, in dem es gewünscht wird, die Strömungsrate
mit Zeitverzug zu verändern,
kann es möglich
sein, eine Struktur mit hoher Wärmekapazität zu verwenden,
beispielsweise einen geschlossenen Kühlmittelkreis zu verwenden.
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Gemäß dieser
Ausführungsform
wird es ermöglicht,
konstant den Strömungsdurchlass
zwischen der Dampfstrahldüse 404 und
der Dampf-Wasser-Mischdüse 406 während einer
stabilen Betriebsdauer nach dem Betriebsstart des Dampfinjektors
zu halten und es wird auch möglich,
die Leistungsausgabe und die Betriebsbedingungen zu justieren. Diese
Vorteile oder Verdienste können durch
die bewegliche Struktur der Dampfstrahldüse bei dieser vierten Ausführungsform
erzielt werden. Entsprechend kann die Deformation der Dampf-Wasser-Mischdüse während des Betriebs
verhindert werden, ohne eine komplizierte Struktur des Dampfinjektors
zu verwenden, und der stabile Betrieb kann ebenfalls mit überlegener
Betriebsleistung erzielt werden. Dies führt zur Verbesserung der Zuverlässigkeit
einer Maschinerie oder eines Systems, welches den Dampfinjektor
gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet.
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Es
ist festzuhalten, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die beschriebenen
bevorzugten Ausführungsformen
beschränkt
ist und viele andere Änderungen
oder Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von dem Rahmen der
vorliegenden Erfindung abzuweichen.