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Fliehkraftabscheider, insbesondere zum Abscheiden von Flüssigkeiten
aus Dampf, mit einem entgegen der Fliehkraftwirkung durchströmten umlaufenden Schleuderteil
Die Erfindung betrifft einen Fliehkraftabscheider, insbesondere zum Abscheiden von
Flüssigkeiten aus Dampf, mit einem entgegen der Fliehkraftwirkung durchströmten
umlaufenden Schleuderteil. Der Zweck der Erfindung besteht darin, einen derartigen
Fliehkraftabscheider für sehr hohe Umfangsgeschwindigkeiten auszubilden, um dadurch
eine möglichst vollständige Abscheidung der Flüssigkeit aus einem Dampfflüssigkeitsgemisch
zu erzielen.
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Es sind allerdings bereits verschiedene Ausführungen von Fliehkraftabscheidern
mit Schleuderrädern bekanntgeworden, die jedoch nicht die erforderlichen großen
Umfangsgeschwindigkeiten. des Schleuderteiles zulassen, um den im neueitlichen Dampfkesselbau
geforderten hohen Trockenheitsgrad des Dampfes zu gewährleisten.
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Bei diesen bekannten Abscheidevorrichtungen ist der umlaufende Schleuderteil
in den verschiedensten Formen ausgeführt und wird durch das Dampf-Wasser-Gemisch
entweder axial, radial von außen nach innen oder tangential beaufschlagt, wobei
den umlaufenden Flächen einer Abscheidevorrichtung zur Minderung des Stoßes auch
schon feststehende Leitflächen vorgeschaltet worden sind. Diese Leitflächen sind
jedoch als Flugelrad ausgebildet und waagerecht angeordnet; sie werden hierbei von
dem Dampf-Wasser-Gemisch in senkrechter Richtung beaufschlagt, so daß in dem mittleren
Teil der Leitflächen keine wirksame Vorabscheidung möglich ist und der Dampf- oder
Wasserstoß nach wie vor noch unmittelbar auf die Schaufeln des Schleuderteiles auftrifft
und diesen zerstört. Das ist um so mehr der Fall bei neuzeitlichen Dampfkesseln
mit großen Ausdampfgeschwindigkeiten. ` Bei Trommelkesseln wird beispielsweise angestrebt,
die Obertrommel möglichst zu verkleinern, während das Rohrsystem jedoch immer größer
wird, so daß,die Entwicklung schließlich zum Zwanglaufkessel führte, wobei man in
besonderen Fällen anstrebte, die Trommel vollständig' fortfallen zu lassen. Diese
Kessel sollen jedoch ebenfalls schnellen Belastungsschwankungen folgen und auch
weitgehend 'überlastet werden können. Dabei darf aber möglichst kein Wasser in den
Überhitzer und in die Turbine oder Dampfmaschine gelangen, weil dieses den überhitzer
verschmutzt oder sogar die Maschine zerstören kann. Bei einem plötzlichen Be= lastungsanstieg
wird nun bei allen Kesseln der augenblickliche Wasserinhalt der Rohre durch die
verstärkte Dampfentwicklung verdrängt, so daß bei Kesseln mit einer Ausdämpftrommel
deren Wasserstand erheblich
ansteigt und dadurch ebenso wie bei
den Röhrenkesseln das :Mitreißen großer Wassermengen ermöglicht wird. In gleicher
Weise wirkt sich auch die hohe Dampfgeschwindigkeit und das starke Sprudeln bei
stark mit Salzen angereichertem Kesselwasser bei Über- -lastung aus. Ist das Speisewasser
stark alkalisch oder die Kesselwasseranreicherung von Salzen sehr hoch, so tritt
das Sprudeln oder Spucken des Kessels um so eher auf.
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Es zeigt sich nun, daß die bekannten Abscheider gegenüber diesen Verhältnissen
in neuzeitlichen Dampferzeugern nur mit kleinen Umfangsgeschwindigkeiten betrieben
werden können, weil sonst die zeitweise unvermeidbaren Wasserpfropfen die umlaufenden
Flächen des Abscheiders oder die Schaufeln der vorgeschalteten Turbine durch den
Wasserschlag zerstören würden. Außerdem wird durch die mit geringer Eigengeschwindigkeit
von den Schaufeln oder Flächen erfaßte Wassermenge eine plötzliche Abbremsung und
Drehzahlminderung eintreten, die auch bei genügender Festigkeit der umlaufenden
Schleuderteile deren Wirkung so vermindert, daß gerade in diesen Augenblicken größere
Wassermengen durchschlagen werden.
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Die sonst üblichen feststehenden Wirbelabscheider allein verursachen
bei ausreichender Wirkung sehr hohe Druckverluste und können bei kleinen Dampfmengen
Wasserpfropfen ebenfalls nicht restlos zurückhalten.
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Demgegenüber besteht die Erfindung darin, daß dem mit großer Umfangsgeschwindigkeit
(15 bis 8o m ,Sek.) umlaufenden Schleuderteil ein feststehender .Wirbelabscheider
vorgeschaltet ist, der einen tangential einmündenden Zuflußkanal aufweist und den
Schleuderteil gleichmittig umfaßt sowie unterhalb dieses Schleuderteiles einen Sammelraum
für die abgeschiedene Flüssigkeit bildet. Durch diese großen Umfangsgeschwindigkeiten
des Schleuderteiles, die ein Mehrfaches der bei den bekannten Vorrichtungen möglichen
Umfangsgeschwindigkeiten betragen, wird mit Sicherheit der gewünschte zulässige
Feuchtigkeitsgehalt des Dampfes erreicht und durch den vorgeschalteten feststehenden
Wirbelabscheider die gefährlichen Flüssigkeitsstöße sowie die plötzliche Abbremsung
des Dampfflüssigkeitsgemisches vermieden, wobei durch den vorgesehenen, ausreichend
groß ausgebildeten Sammelraum auch ein Überfluten des Schleuderteiles bei anfallenden
großen Wassermengen verhindert wird. Der Sammelraum kann auch getrennt angebaut
sein. Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, daß nunmehr der Wirbelabscheider
mit kleineren Geschwindigkeiten und Druckverlusten arbeiten kann und daß er trotzdem
den überwiegenden Teil, vor allem die Wasserpfropfen und die größeren Flüssigkeitsteile,
bereits vor dem umlaufenden, vorzugsweise aus glatten, ringförmigen Blechscheiben
bestehenden Schleuderteil ableitet, während dieser die verhältnismäßig noch große
Flüssigkeitsmenge, die in feine und feinste Teilchen aufgelöst den Wirbelabscheider
verläßt, durch seine hohen Fliehkräfte und die großen, von einem Wasserfilm überzogenen
Oberflächen abfängt und in Tropfenform abschleudert. '" Insbesondere ist der vorgeschlagene
Abscheider auch zum Trennen der großen Umwälzwassermengen eines La-Mont-Kessels
von Dampf geeignet. Infolge dieser günstigen Ergebnisse können dadurch die bekannten
Kessel erheblich weiter entwickelt und neue Formen gebildet werden, die bisher nicht
möglich erschienen. Wesentlich ist dabei auch die geringe Antriebsleistung des umlaufenden
Schleuderteiles, weil dieser nicht mehr die gesamte Feuchtigkeit beschleunigen und
ausscheiden muß.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes ergibt
sich dadurch, daß in an sich bekannter Weise auf der Welle des umlaufenden Schleuderteiles
für die Rückförderung der abgeschiedenen Flüssigkeit zum Kessel im Abflußstutzen
des Sammelraumes ein Pumpenrad angeordnet ist. In besonderen Fällen kann das Wasser
auch ohne Rückförderpumpe nur durch Gefälle dem Kessel wieder zugeleitet werden.
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Der Antrieb des Pumpenrades sowie des Schleuderteiles erfolgt vorwiegend
durch eine Reaktionsturbine, wobei das die Düsen tragende Rad auf der Welle des
Schleudertei. les angeordnet ist und im Gegensatz zu den bekannten Abscheidern mit
dem bereits getrockneten Dampf betrieben wird, der durch einen vom Schleuderteil
gebildeten Kanal von innen in das Düsenrad einströmt. Dadurch wird die Leistungsabgabe
der Turbine gleichmäßig und unabhängig von den aus dem Kessel mitgerissenen Flüssigkeitsmengen
allein von der jeweiligen Dampfmenge bestimmt. Infolgedessen wird, therotetisch
mit der dritten Potenz der steigenden Dampfmenge, auch bei den größten Kesselbelastungen
trotz der größeren mitgerissenen Feuchtigkeitsmengen eine erwünschte Steigerung
der Drehzahl und damit auch Schleuderwirkung erreicht. Mit der Drehzahlsteigerung
wird zugleich auch die Schluckfähigkeit der mit angetriebenen Rückförderpumpe den
anfallenden größeren Wassermengen angepaßt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes
ergibt sich dadurch, daß in an sich bekannter Weise ein Radkörper für die Zuführung
von Waschwasser vorgesehen wird, der zweckmäßig in Strömungsrichtung des getrockneten
Dampfes oberhalb
des Schleuderteiles und vor der Einlaßöftnung des
Zuflußkanales für das Dampf-Wasser-Gemisch angeordnet wird, so daß der entstehende
Frischwasserschleier vor dem Einströmen des Dampfes in den Schleuderteil besonders
die feinen Flüssigkeitsteilchen trifft. Hierdurch wird eine erhebliche Senkung der
Salzanreicherung. dieser Teilchen erreicht und dadurch der gesamte Salzgehalt des
in den überhitzer gelangenden Dampfes um so mehr gesenkt, je höher die Kesselwasseranreicherung
über der des Speisewassers liegt.
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Um weiterhin eine Verunreinigung des bereits getrockneten Dumpfes
durch Öl, beispielsweise bei Anwendung von Stopfbuchsen, zu vermeiden ist die Welle
des Schleuderteiles innerhalb des Gehäuses nur in wassergeschmierten Lagern geführt.
Zum Schmieren dient gefiltertes und gekühltes Speisewasser, das der Druckleitung
der Speisepumpe entnommen wird und hinter den Lagern dem Kessel zufließt. Dadurch
ist es möglich, die Welle in einem völlig geschlossenen Gehäuse laufen zu lassen
und jede Stopfbuchse nach außen zu vermeiden.
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Durch diese Zusammenfassung mehrerer an sich bekannter Bauelemente
und insbesondere durch ihren gedrungenen Zusammenbau ist eine außerordentlich zweckmäßige
Trocknungseinrichtüng geschaffen worden, deren Aufbau und Anwendung an Hand der
Abb. i bis q. beispielsweise erläutert werden soll.
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In der Abb. i ist die Trocknungseinrichtung in einem Längsschnitt
gezeigt. Sie besteht aus einem feststehenden Gehäuse 2, welches mit einem tangential
einmündenden Zuflußkanal3 für das zu trocknende Dampfflüssigkeitsgemisch und einen
Abflußstutzen q. für die abgeschiedenen Flüssigkeitsteile versehen ist. In dem tropfartigen
Gehäuse 2 ist in senkrechter Richtung ein Schleuderteil 6 gelagert. Mit diesem ist
ein D,üsenturbinenrad. i o zusammengebaut.
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Der Schleuderteil besteht aus einer Anzahl eng übereinander angeordneter
ringförmiger Scheiben, die einen Raum 15 einschließen. Die Trocknerscheiben
12 werden zur Verbesserung der Abscheidung zweckmäßig wellenförmig ausgebildet,
wie dies in Abb.2 dargestellt ist. Der ringförmige Raum 15 setzt sich als
Dampfkanal nach oben bis zu dem Düsenturbinenrad iö fort. Das Düsenturbinenrad ist
von einem Ringkanal 16 umgeben, der einen Abflußstutzen 17 für den getrockneten
Dampf aufweist.
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Mit dem Schleudertei16 kann noch eine Wascheinrichtung verbunden sein,
die den aus dem Kessel austretenden Dampf wäscht und die Salzanreicherung des Dumpfes
herabsetzt. Das Speisewasser, welches die geringste Salzanreicherung hat, wird zu
diesem Zwec1L über eine Leitung 2o und die Zweigleitung 21 einem über der Trocknungseinrichtung
angeordneten Radkörper 8 zugeführt. Der als Dampfwascher ausgebildete Radkörper
ist ein bis auf die Eintrittsöffnung I I für das Waschwasser geschlossener
Hohlkörper, der an seinem äußeren Durchmesser düsenartige Öffnungen 9 hat. Oberhalb
der Eintrittsöffnung des Diampfwaschers ist eine Zuführungskammer 7 für das Waschwasser
angeordnet; aus dieser strömt das Wasser in das Zerstäuberrad. Der Dampfwascher
ist so angeordnet, daß der durch den Zuflußkanal3 einströmende Dampf gezwungen ist,
seinen Weg durch den von dem Dampfwascher ausgehenden Wasserschleier zu nehmen.
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Die Schmierung der Lager der Welle 18, welche das DÜsenturbinenrad
io, den Dampfwascher 8 und den Schleuderteil 6 trägt, erfolgt zweckmäßig durch Wasser.
Dieses Wasser wird der Druckleitung 2o der Kesselspeisepumpe entnommen und nach
erfolgter Kühlung in einem Kühler 22 durch die in Abb. i angedeuteten Leitungen
23 den Lagern zugeführt.
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Der zu trocknende Dampf strömt durch den Zuflußkanal3 in das feststehende
Gehäuse 2, und zwar in tangentialer Richtung ein und bildet an der Wand des Gehäuses
einen Wirbel. Durch die kreisende Bewegung des zugeführten Dampfflüssigkeitsgemisches
werden zunächst die groben Teile der in dem Dampf noch enthaltenen Flüssigkeit abgeschieden.
Das so von der Hauptmenge der Flüssigkeitsteilchen befreite Arbeitsmittel tritt
darauf durch die engen Räume zwischen den Trocknerscheiben 12. Durch die umlaufende
Bewegung des Schleuderteiles 6 unterliegen die in dem Arbeitsmittel noch enthaltenen
Flüssigkeitsteilchen einer radial nach außen gerichteten Beschleunigung, unter deren
Einfluß die Abscheidung nach der Wand des Gehäuses 2 hin bewirkt wird. Die abgeschiedene
Flüssigkeit wird in dem unterhalb des Schleuderteiles vorgesehenen Sammelraum aufgefangen
und fließt durch den Abflußstutzen ¢ ab und wird von hier aus erneut in den Kessel
eingespeist. Die Wiedereinspeisung kann durch Zulauf mit natürlichem Gefälle oder
auch, falls dies aus baulichen Gründen nicht möglich ist, mittels einer auf der
Welle 18 in dem Abflußstutzen q. angeordneten Rückspeisepumpe 25 erfolgen
(erste Schnittseite, Abb. i).
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Der -von den flüssigen Bestandteilen befreite Dampf strömt durch den
Raum 15 zu dem Turbinenrad i o, welches an seinem Umfang mit Düsen 26 versehen ist,
durch die der Dampf entgegen der Drehrichtung austritt. Durch die Reaktionswirkung
des austretenden Dampfes wird das Turbinenrad
und mit ihm die auf
der gleichen Welle 18
angeordneten Einrichtungen, also sowohl der Schleuderteil
6 als auch der gegebenenfalls vorgesehene Dampfwascher 8 und die Rückspeisepumpe
25, angetrieben. Der getrocknete Dampf verläßt den Trockner durch den Abflußstutzen
17.
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Durch die scheibenartige Zusammensetzung des Schleuderteiles 6 wird
bewirkt, daß der Dampf jederzeit stoßfrei in den Schleudertei16 einströmt. Die große
Berührungsfläche des Schleuderteiles sowie seine hohe Umfangsgeschwindigkeit ermöglicht
eine vollständige Abscheidnng der flüssigen Bestandteile des aus dem Gehäuse 2 radial
nach innen einströmenden Dampfflüssigkeitsgemisches, wobei die Abscheidung insbesondere
durch die Adhäsion der sich ansetzenden Wasserteilchen begünstigt wird. Um eine
Überflutung und schnelle Abbremsung des Schleuderteiles zu verhindern, sofern eine
größere Wassermenge in den Abscheider einströmt, ist zweckmäßig der Sammelraum ausreichend
groß ausgestaltet und der Rückförderpumpe 25 vorgeschaltet, auf deren Antriebswelle
18 noch eine zusätzliche Schwungmasse angebracht sein kann.
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Die Abb.3 und 4 zeigen Anwendungsbeispiele, wie der vorgeschlagene
Fliehkraftabscheider grundsätzlich bei Trommel- und Zwängsumlaufkesseln einzubauen
ist.
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In Abb.3 ist eine Anordnung schematisch dargestellt, wie sie zum Trocknen
des Dampfes von Trommelkesseln geeignet ist. Der in den Wasserrohren 3o eines Steilrohrkessels
erzeugte Dampf wird von der Obertrommel 31 über eine Leitung 32 dem Fliehkraftabscheider
zugeführt. Der getrocknete Dampf strömt von dem Abflußstutzen 17 durch einen
Überhitzer 33 zu den Verbraucherstellen. Da der Kessel stark wasserhaltigen Dampf
abgeben darf, kann die ganze Kesselanlage wesentlich kleiner gehalten werden. Dies
trifft auch zu, wenn zur Speisung des Kessels Wasser verwendet wird, welches durch
die Aufbereitung oder aus anderen Gründen mit Salzen oder Laugenbildnern oder sonstigen
Verunreinigungen angereichert ist. In diesem Fall kann auch die sonst üblicherweise
oberhalb der Obertrommel des Kessels vorgesehene Dampfsammeltrommel in Fortfall
kommen.
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Die Abb.4 zeigt die Anordnung des Fliehkraftabscheiders zum Betriebe
eines Einrohrdampferzeuger s. Hierbei ist unter dem Fliehkraftabscheider ein Flüssigkeitsbehälter
angeordnet, der bei dem stoßweisen Ausströmen des Dampfflüssigkeitsgemisches aus
dem Kessel als Sammelraum bzw. als Ausgleichsbehälter dient, um ein Überfluten des
Schleuderteiles durch das von dem erzeugten Dampf mitgeführte Wasser zu verhindern.
Die auf der Welle 18 der Schleudereinrichtung angeordnete Kreiselpumpe
25 fördert das ausgeschleuderte Wasser in den Einrohrverdampfer zurück und
bewirkt einen wirksamen Kreislauf in den Verdampferrohren.
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Sofern die Rückspeisepumpe als reine Umwälzpumpe betrieben wird, kann
die Frischeinspeisung durch die Kesselspeisepumpe 43 in Abhängigkeit vom Wasserstand
in dem Flüssigkeitsbehälter 4o geregelt werden.
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Der Fliehkraftabscheider kann nicht nur zur Trocknung des im Dampferzeuger
erzeugten Dampfes dienen, sondern auch zum Abscheiden der flüssigen Bestandteile
aus anderen Gasen oder Dämpfen verwendet werden.