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Verdampfungsverfahren für Dampferzeuger mit mehreren Verdampfungssystemen
Die Erfindung hat ein Verfahren zur Verdampfung von Flüssigkeiten in Dampferzeugern
mit einem Dampfabscheider und zwei oder mehreren dampfseitig mit dem Abscheider
verbundenen Verdampf ungssystemen zum Gegenstand. Bei derartigen Dampferzeugern
bereitet die Ausbildung solcher Verdampferheizfläche Schwierigkeiten, die nur geringe
Umlaufkräfte aufweisen. Die Rücksicht rauf den Umlauf zwingt in diesem Fall zu Konstruktionen,
die den Gesamtaufbau des Dampferzeugers preislich und räumlich ungünstig beeinflussen.
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Zur Behebung dieser Schwierigkeiten wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
das Dampf-Wasser-Gemisch des einen Systems zu entmischen, den zum Abscheider strömenden,
vorwiegend Dampf enthaltenden Teil zu drosseln und dadurch den vorwiegend Wasser
enthaltenden Teil einem anderen Verdampfungssystem mit einem höheren Druck zuzuführen,
als dem Zufl@ußdruck zum vorhergehenden System bei gleichem :spezifischem Gewicht
des Arbeitsmittels und gleicher Höhe entspricht.
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Nach dem Erfindungsvorschlag ist es möglich., die Umlaufkräfte des
einen Verdampfersystems zur Erzielung eines ,sicheren Umlaufes in einem anderen
Verdampfungssystem nutzbar zu machen. Dies ist natürlich nur möglich, wenn in einem
Dampferzeuger Verdampfungssysteme mit so großen Umlaufkräften vorhanden sind, daß
eine Dro selung :des Umlaufes ohne Schaden möglich ist. Dies trifft in der Regel
für Strahlungshelzflächen zu, die meist -aus geraden, stark beheizten Rohren bestehen
und für die das umlaufende Wassergewicht das 5o- bis 6ofache und mehr des erzeugten
Dampfgewichtes beträgt. Eine so große Wassermenge ist für eine ausreichendeKühlung
derVerdampferrohreunnötig und kann unbedenklich auf -das ro- bis zofache
Wassergewicht
beschränkt werden. Durch,die Verringerung des .umlaufenden Wassergewichtes wird
Umlaufkraft frei und kann in Druck umgesetzt werden. Nach der Erfindung wird dies
dadurch erreicht, daß das erzeugte Dampf-Wasser-Gomisch am Ende der Heizfläche ganz
oder teilweise entmischt wird: und der abgeschiedene Dampf zum Absoheider geleitet
wird; dabei wird -der abströmende Dampf gedrosselt, so daß der Druck am Ende der
Heizfläche ansteigt und die Umlaufmenge zurückgeht. Die zulässige Höhe des Druckes
wird bestimmt von der für diie Kühlung als notwendig angesehenen ITmlaufmenge der
Flüssigkeit. Die abgeschiedene Flüssigkeit steht dann mit .diesem Überdruck als
Umlaufmittel für weitere Verdampfungsheizflächen zur Verfügung und kann solchen
Heizflächen zugeführt werden, für die ihrer Lage oder Ausbildung nach keine ausreichenden
Auftriebskräfte zur Überwindung des Strömungswiderstanides zur Verfügung stehen.
Da -die Rücksicht auf den Umlauf, insbesondere bei den schwach beheizten Nachheizflächen,
nicht mehr in dem Maße wie bisher üblich zu berücksichtigen isst, besteht größere
konstruktive Freiheit in der Ausbildung dieser Heizflächen. So ist es beispielsweise
möglich, mehrmals gebogene Rohrschlangen oder enge Rohre zu verwenden, so daß in
einem gegebenen Raum mehr Heizflächen untergebracht werden können. Es ergeben sich.
Ausbildungsmöglichkeiten ähnlich denen, die bei Zwanglaufidampferzeugern - üblich
sind, wenigstens in bezug auf die Nachschaltheizflächen.
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!Die Drosselung der Dampfableitungsrohre kann in,der Weise durchgeführt
werden, @daß der D:urchflußq:uerschnitt von vornherein so bemeissen wird, daß eine
Drosselung eintritt, oder es werden querschnittverengende Drosselstellen vorgesehen.
Es ist möglich, als Drosselorgan Ventile oder Druckhalteventile,vorzusehen. Die
letzteren haben den Vorzug, daß sie dien rechnerisch vorausbestimmten Überdruck
konstant halben, .der sonst bei Schwankungen des Kesseldruckes oder der Leistung
veränderlich :sein würde. Wird der Gegendruck konstant gehalten, so tritt bei Änderung
der Last oder des Druckes eine Veränderung .der umlaufenden Wasseerm:errge in den
Rohren ein.
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Die Größe - und Wärrrieaufnahme !der nachgeschalteten Heizfläche ist
so zu, bemessen, .daß Idas abgeschiedene Wasser der Vorheizfläche zur Kühlurig der
Rohre genügt. Da in der Regel die Nachheizfläche nur schwach beheizt ist, kann auch
ohne Gefährdung der Rohre unter Umständen der Wässerüberschuß auf das 5- bis zof
ache verringert werden. Wichtig ist, daß die Wassergeschwindigkeit um so größer
gewählt werden muß, je weniger Steigung -die Rohre haben, um das Ansetzen von Dampfblasen
zu verhindern.
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Es ist möglich, @daß bei verhältnismäßig hohem Durchflußwiderstand
in der Naahh,eizfläche oder bei niedrig gebauten Dampferzeugern die Umlaufkraft
.des vorgeschalteten Verdampfungssystems allein nicht ausreicht. Für diesen Fall
können zwei oder mehrere etwa gleichartige Verdampfungssysteme hintereinandergeschaltet
werden, so daß das. abgeschiedene Wasser aus dem ersten System dem zweiten oder
weiteren zufließt und von System zu System weitere Drucksteigerung erfährt, bis
ein genügender Überdruck erreicht ist. Es ist klar, daß ,die Wassermenge von System
zu System entsprechend der verdampften und von Dampf mitgerissenen Menge abnimmt.
Dieser Umstand kann bei genügendem Wasserüberschuß aber unbedenklich in Kauf genommen
werden. Man kann aber auch den Durchflußquerschnitt eines j"-,den Systems der umlaufenden
Wassermenge anpassen.
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Die Erfindung ist an Hand der Abb. 1 bis 7 näher erläutert.
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Die Arbeitsweise des vorgeschliagenen Verfahrens ist schematisch in
Abb. i dargestellt. An demDampf -abscheidar i sind Fallrohre z angeschlossen, ,die
in .den Verteiler 3 einmünden. Von diesem Verteiler 3 geht ein beheiztes Rohrsystem
¢ aus und mündet in den Sammler 5, der ;durch Überströmrohre 61 mit dem Dampfabscheider
i- verbunden ist. Ferner ist der Sarrimler -durch Rohre! 7 mit dem unteren Verteiler
8 verbunden. Von diesem Verteiler 8 geht ein weiteres beheiztes Rohrsystem 9 aus,
das in dem Sammler io endet. Der Sammler io ist durch Rohre i i mit dem Dampfabscheider
i verbunden. In den Überströmrohren 6 ist eine Drosselstelle 12 angeordnet.
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Die Wirkungsweise ist folgende: Aus dem Wasserraum der Trommel i fließt
Kesselwasser über die Fallrohre 2 zum Verteiler 3 und tritt von hier in das beheizte
Rohrsystem 4 über, in -welchem es aufwärts strömt. Das erzeugte Dampf-Wasser-Gemisch
-wird in dem Sammler 5 zum Teil entmischt. Der abgeschiedene Dampf strömt über Rohr
6 in den Dampfraum der Trommel i. Durch Drosselung des überströmenden Dampfes durch
die Drosselvorrichtung i2 wird in .dem Sammler 5 ein Druck erzeugt, dier über -dem
Druck im Abscheid :er liegt. Mit diesem Anfangsdruck fließt das abgeschiedene Wasser
über Rohr 7 :dem unteren Verteiler 8 zu. Der statische Druck in diesem Verteiler
ist also um den Druck im Sammler 5 höher und kommt dem Umlauf indem nachgeschalteten
Rohrsystem 9 zugute, .so däß die Umlaufkraft dieses Systems erhöht wird. Das Dampf-Wasser-Gemisch
aus diesem System wird entweder unmittelbar in den Abscheider geleitet, etwa in
Höhe des mittleren Wasserstandes, oder man trennt auch hier das Gemisch durch Vorabscheldung
von Dampf zur Entlastung des Dampf raumes..In diesem Fall kann die Überströmleitung
i i höher in den Dampfraum einmünden, und es ist ein größerer Überhub zulässig.
Das abgeschiedene Wasser fließt über Rohr iv sowie über Rohre 13 und 2 dem Kreislauf
wieder zu. Es ist vorteilhaft, den Verteiler 8 mit dem Rohr 13 durch eine ä@bsperrbare
Leitung 1:4 zu verbinden, so daß das nachgeschaltete Rohrsystem entwässert werden
kann.
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Nach dem Erfindungsvorschlag kommt es im wesentlichen darauf"an,eine
möglichst vollkommene Entmischung .des Dampf-Wasser-Gemisches zu erreichen. Bei
nicht zu hohen Geschwindigkeiten, also reichlich bemessenem Querschnitt, in jdem
Sammler 5
genügt zur Trennung die Ausnutzung der Schwerkraft. Es
ist zu empfehlen, den Sammler 5 so auszubilden, wie Abb. 2 zeigt. Die Verdampferrohre
4. ragen soweit in den Sammler 5 hinein, daß das austretende Dampf-Wasser-Gemisch
gegen die Wandeng des Sammlers strömt, so daß die Wandung als Prallfläche wirkt,
an d2r die Wasserteilchen herunterfließen und sich im unteren Teil des Sammlers
sammeln, während der Dampf den oberen Teil ausfüllt. Infolgedessen müssen die Dampfüberströmrohre
6 nach oben und die Wasserrücklaufrohre 7 nach unten von dem Sammler abgehen. Es
ist zweckmäßig, diese Ableitungen von den Enden des Sammlers 5 urbeheizt abzuzweigen,
so daß Dampf und Wasser noch über eine bestimmte Strecke parallel zueinander strömen
und auch kleinere in Dampf schwebende Wasserteilchen Gelegenheit haben, auszufallen.
Im übrigen ist für diel Erfindung nur von Belang, daß das abgeschiedene Wasser möglichst
-dampffrei ist, während ein- mehr oder minder hoher Feuchtigkeitsgehalt des abgeschiedenen
Dampfes nur von untergeordneter Bedeutung ist.
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Eine andere Möglichkeit der Trennung von Dampf und Wasser zeigt A.bb.
3. Der waagerechte Sammler 5 mündet in diesem Fall an einem oder beiden Enden in
ein erweitertes Gefäß 15 ein, und zwar mit nach unten gerichteter Mündung. Bei dieser
Einrichtung ist eine höhere G,e@schwindigkeit des Gemisches in dem Sammler 5 zulässig
und sogar erwünscht, da die Geschwindigkeit des Gemisches neben der Schwerkraft
zur Trennung ausgenutzt wird. Wie aus der Abbildung ersichtlich, fließt das Wasser
in Richtung der Strömung und der Schwerkraft nach unten ab, währendi der Dampf in
u@mgel@elfrter Strömungsrichtung zum Abscheider geleitet wird.
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Die Einrichtung nach Abb. d. unterscheidet sich von der vorhergehenden
nur dadurch, @d@aß die Mündung 16 des Sammlers 5 düsenfärmig ausgebildet ist und
so auch gleichzeitig als Drosselstelle wirkt. Dadurch -wird das Gemisch beschleunigt
und etwa auf @d-n Druck im Abscheider entspannt. Infolge "der gesteigerten Geschwindigkeit
wird die Entmischung begünstigt, da aber nach dem Erfindungsvorschlag nur der abgeschiedene
Dampf, nicht aber das Wasser gedrosselt werden soll, ist es notwendig, zur Rückgewinnung,des
Druckes das abgeschiedene Wasser in einem diffusorartig ausgebildeten Rohrstück
17 wieder auf Druck zu bringen, bevor es über dem Rücklauf rohr 7 einer weiteren
Heizfläche zugeführt wird.
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In der schematischen Darstellung nach Abb.5 sind die beiden Verdampfungssysteme
18 und ig der Verdampfungsheizfläche 2o vorgeschaltet. Die Systeme 18 und ig bestehen
aus geraden, senkrecht angeordneten, stark beheizten Verdampfungsrohren und sind
wasserseitig hintereinandergeschaltet.
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Der im Dampfabscheider 15 abgeschiedeneDampf strömt über die Drosselstelle
12 zur Trommel i, während das abgeschiedene Wasser mit einem dem Drosseldruck des
Dampfes entsprechenden Überdruck dem nachgeschalteten Rohrsystem ig zufließt, Dieser
-Überdruck wird durch den hohen Auftrieb in dem Rohrsystem ig noch verstärkt. Das
erzeugte Dampf-Wasser-Gemisch -wird in dem zu diesem System gehörigen Dampfabscheider
15' wieder getrennt und d er Dampf über die zugehörige Drosselstelle 12' ebenfalls
zur Trommel i geleitet. Da eine ganze Anzahl derartiger Systeme hinter-.e%inan(dergeschaltet
werden können, kann ein hoher Überdruck erzielt werden. Die mögliche Zahl Ader hintereinandergeschalteten
Systeme ist begrenzt durch den erforderlichen Wasserüberschuß, da .dieser von System
zu System um die verdampfte Menge abnimmt. Aus dem System ig fli,eßt das Umlaufwasser
in die an den Wasserverteiler 8 und Gemischsammler io angeschlossene Nachheizfläche
Zroi. Da der Überdruck des Wassers durch Hintereinanderschaltung verhältnismäßig
groß ist, kann die Nachhheizfläche 2o als eine im Zwanglauf betriebene Hclizfläche
angesehen werden. Die Ausbildung ist abhängig von dem erzielbaren Überdruck. In
!der Abbildung ist die Nachschaltheizfläche aus mehreren parallel geschalteten Rohrschlangen
ge-
bildet, in .denen der Wärmneträger nur aufwärts strömt. Es ist also neben
dem Überdruck des Umlaufwassers auch noch ein in gleichem Sinn wirkender Auftrieb
vorhanden. Durch diesen Auftrieb wird eine gleichmäßige, der Wärmeaufnahme entsprechende
Verteilung des Umlaufwassers erreicht. Es ist aber auch möglich, wie bei Zw-angumlaufkesseln
bekannt, das Umlaufwasser durch Drosselung zwangmäßig auf -die Rohrei zu verteilen,
-wenn auch der Drosseldruck und der zulässige Rohrwiderstand nicht die bei reinen
Zwangumlaufkesseln üblichen Werte erreichen.
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In dem Ausfiührungsbeispiel nach A.bb. 6 ist das Rohrsystem eines
Dampferzeugers mit Strahlungs-und Berührungsheizflächen dargestellt. Die Strahlungsheizflächen
sind an den Wänden des Feu@erraum,es 2:1 verlegt und bestehen aus den Vorderwand-
und Deckenrohren 22, den Rückwandrohren 23 und den Seitenwandrohren 24. In einem
an den Feuerraum anschließenden abwärts gerichteten Zug sind die Berührungsheizflächen
angeordnet. Das Rohrbündel 25 ist durch Auflösung der Rückwandrohre 23 gebildet
und mündet unmittelbar in den Dampfabscheider i ein. In Richtung der Rauchgasströmung
folgt dann eine Ü berhitzerheizfläche 26 und eine Verdampferheizfläche 27, der auch
noch, wie angedeutet, eine Vorwärmx°@rheizfläche 28 folgen kann, Die Verdampferheizfläche
-27 soll aus parallel geschalteten Rohrschlangen bestehen, .die an den Verteiler
29 und Sammler 30 angeschlossen sind. Eine derartige Heizfläche ist einfach und
billig herzustellen. Die natürlichen. Umlaufkräfte reichen aber nicht aus, um die
Widerstände in den verhältnismäßig langen Rohrschlangen zu überwinden, so @daß die
Heizfläche nur mangelhaft gekühlt würde. Zur Erzielung eines ausreichenden Umlaufes
soll dieser Heizfläche gemäß der Erfin-Üung eine andere Heizflächo mit größerer
Umlaufkraft wasserseitig vorgeschaltet werden. Hierzu sind in dem Ausführungs=beispiel
die Seitenwandrohre 24 gewählt worden. Das in diesen Rohren erzeugte Dampf-Wass,er-Gemisch
strömt in den
Sammler 31 und dann in das Trenngefäß 32. Aus -diesem
Gefäß strömt ein vorwiegend aus Dampf bestehender Teil über Leitung 33 in den Dampf
abscheider i. Die Leitung ist so zu bemessen, daß sie den überströmenden Dampf -drosselt.
Es können aber auch besondere Drosselvorrichtungen vorgesehen werden. Der vorwiegend
aus Wasser bestehende Teil fließt über Leitung 34 zum Verteiler 2;9 und -der Verdampferheizfläche
27 zum Abscheider i. Der Durchflußwiderstand der ÜberstrÖmleitUng 33 ist so groß
zu wählen, daß eine für die Kühlung der Heizfläche 27 ausreichend große Wassermenge
durch diese Heizfläche zum Abscheider i strömt.
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In Abb. 7 ist das Rohrsystem eines Dampferzeugers in Einzugbiauart
dargestellt. Der Feuerraum 2@4 hat etwa quadratischen Querschnitt und ist verhältnismäßig
hoch. 'Er eignet sich besonders für Kohlenstaubfeuerung. Deir Berührungsverdampfer
35 ist wasserseitig der Strahlungsheizfläche 36 nachgeschaltet. ,Das im Sammler
37 abgeschiedene Wasser fließt über Leitung 38 dem Verteiler 39 der Berührungsheizfläche
35 zu, während ,der Dampf durch die Überströmrohre 40 zum Abscheider i strömt. Da
in diesem Fall die Berührungsheizfläche 35 sehr heiß liegt und außerdem auch noch
bestrahlt wird, ist der Strömungswiderstand verhältnismäßig groß, so daß eine hohe
Umlaufkraft in den Rohren 36 Voraussetzung ist. Genügt diese allein, nicht, so können
auch noch gemäß (dem Schema nach Abb. 5 weitere Strahlungsheizflächen, z. B. die
Seitenwandrohrey vorgeschaltet werden. Der Vorzug dieser Bauart ist, daß der Berührungsverdampfer
sehr raumsparend untergebracht werden kann und insgesamt an Bauhöhe gespart wird.