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Verfahren und Einrichtung zur Förderung von Kessel- oder Speisewasser
mittels Strahlpumpen Die Erfindung hat ein Verfahren zur Förderung von Kessel- oder
Speisewasser mittels Strahlpumpen zum Gegenstand.
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Bei den als Injektoren bekannten Strahlpumpen dient als Treibmittel
Sattdampf. Das Arbeitsvermögen. .des Dampfes wird aber in diesen Strahlpumpen nur
schlecht ausgenutzt, so daß sie verhältnismäßig viel Dampf verbrauchen. Der hohe
Dampfverbrauch ist darauf zurückzuführen, daß der Treibdampf mit hoher Geschwindigkeit
auf die zu fördernde Flüssigkeit trifft, deren Geschwindigkeit gegenüber der des
Dampfes fast als ruhend .angesehen werden kann. Dadurch entstehen. hohe Stoßverluste,
so daß nur ein kleiner Teil der Strömungsenergie nutzbar gemacht wird. Besondere
Schwierigkeiten entstehen auch .durch die Mischung von Medien in verschiedenem Aggregatzustand,
in diesem Fall also durch die Mischung von Dampf und Wasser.
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Zur Verringerung der Stoßverluste und Verbesserung der Wirtschaftlichkeit
der Strahlpumpe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, als Arbeitsmittel Kesselwasser
vom Druck und derTemperatur des Sattdampfes zu benutzen und durch Energieaustausch
mit Dampf das Arbeitsvermögen des Kesselwassers zu erhöhen.
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Der Energieaustausch kann in einfachster Weise und fast verlustlos
dadurch bewerkstelligt werden, daß Dampf und Kessehvasser in einer Düse gemeinsam
entspannt werden.
Der Vorzug des vorgeschlagenen Verfahrens besteht
darin, .daß .durch :den Energieaustausch das Kesselwasser als Arbeitsmittel für
die Strahlpumpe dient und entsprechend,der gegenüber dem Dampf wesentlich größeren
Masse die Geschwindigkeit ganz erheblich niedriger liegt als sich bei der Entspannung
von Dampf allein ergibt. Demzufolge sind auch :die Stoßverluste bedeutend geringer,
die beim Zusammentreffen des Arbeitsmittels mit dem geförderten Mittel entstehen.
Ferner sind auch :die Mischungsvorgänge leicht übersehbar, da beide Medien sich
im flüssigen Zustand befinden.
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Nach der Entspannung wird der Dampf aus dem Gemischstrahl entfernt,
entweder durch Kondensation, wenn :die Temperatur der zu fördernden Flüssigkeit
dies gestattet oder :durch Ableitung zu einer Stelle: niederen Druckes, z. B. zum
Kondensator.
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Die gemeinsame Entspannung von Kesselwasser und Dampf kann in der
Weise durchgeführt werden, daß mit dem Kesselwasser aus dem Dampfraum der Kesseltrommel
Dampf abgesaugt wird, oder es wird nur Kesselwasser allein entpannt, wobei der bei
der Entspannung entstehende Dampf die zusätzliche Beschleunigung-,des Kesselwassers
bewirkt. Es ist auch möglich, das in einem Dampferzeuger entstandene Dampf-Wasser-Gemisch
zu wählen und den nach der Entspannung- abzuscheiden:den Dampf in .die Trommel zu
leiten. In diesem Fall wirkt :die Strahlpumpe nach dem vorgeschlagenen Verfahren
gleichzeitig als Vorabscheider für das erzeugte Dampf-Wasser-Gemisch.
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Besondere Bedeutung hat das Verfahren für die Umwälzung von Kesselwasser
in Zwangumlaufdampferzeugern, bei denen bisher eine mechanisch angetriebene Schleuderpumpe
verwendet wurde. Die Strahlpumpe hat den Vorteil, .daß sie nur aus feststehenden
Teilen besteht.
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Die Erfindung ist an Hand der Abb. i bis 8 näher erläutert. ' In Abb.
i ist eine Strahlpumpe zur Förderung von Speisewasser gemäß der Erfindung schematisch
dargestellt. Vom Wasserraum der Trommel i eines nicht näher .dargestellten Dampferzeugers
führt ein Rohr 2 senkrecht nach unten. Das Rohrende: läuft aus in eine Düse 3, die
in einen erweiterten Raum 4 einmündet. Der Düsenöffnung gegenüber ist in der Wandung
.des Raumes 4 eine Fangdüse 5 angeordnet, an die sich ein Diffusor 6 anschließt.
Der Raum 4 steht über das Rohr 7 mit der Außenluft oder einem Kondensator in Verbindung.
In diesen Raum -4 mündet auch die Speisewasserleitung B. Die Wirkungsweise ist folgende:
Wird: das Ventil 9 in der Leitung 7 geöffnet, so sinkt der Druck in dem Raum 4,
und es fließt durch das Rohr 2 Kesselwasser ab. Durch .die Düse 3 wird dieses Wasser
auf den Druck im Raum 4 entspannt. Bei der Entspannung in der Düse wird aus dem
Kesselwasser Dampf gebildet, der mit entspannt wird und das Wasser zusätzlich beschleunigt.
Ist eine ausreichende Geschwindigkeit erreicht, so, wird durch den Staudruck das
Rücl<schlagventi' io in der Speiseleitung ii geöffnet, und das Kesselwasser strömt
zurück zur Trommel. Der in der Düse 3 entstandene Dampf tritt durch das Rohr 7 nach
außen oder zu einem Kondensator. Wird nun das Ventil 12 in der Leitung 8 :geöffnet,
so strömt Speisewasser in den Raum 4 ein und wird von :dem Wasserstrahl aus der
Düse 3 mitgerissen und zusammen mit dem Kesselwasser in dem Diffusor 6 auf Trommeldruck
gefördert. Ist die Temperatur des Speisewassers niedrig genug, so wird der entstandene.
Dampf ganz oder teilweise: kondensieren und zurück zur Trommel gefördert. Nicht
kondensierter Dampf strömt durch Leitung 7 ab. Wenn der Dampf nach außen abgeführt
wird, so kann das Speisewasser nur von einem Hochbehälter aus zufließen, ist jedoch
das Rohr 7 an einem Kondensator angeschlossen, so wird das Speisewasser auch angesaugt,
wobei die Saughöhe vom Vakuum im Kondensator abhängig ist. Da der in der Düse 3
erzeugte Dampf den bei weitem größten Teil seiner Energie zur zusätzlichen Beschleunigung
des Kesselwassers abgibt, ist bei der verhältnismäßig kleinen Auss.trönigeschwindigkeit
der Energieverlust gering. Infolge der geringen Dampfenergie beim Austritt aus der
Düse bereitet es auch keine große Schwierigkeit, den Dampf aus dem Gemischstrahl
abzusaugen und nach einer Stelle geringeren Druckes abzuleiten, während das Kesselwasser
infolge seiner vielfach größeren Masse seine -Strömungsrichtung beibehält und in
der Fangdüse 5 zusammen mit dem Speisewasser wieder zu einem vollen Strahl vereinigt
wird. Die geringere Geschwindigkeit des Kesselwassers im Vergleich zum Dampf als
Treibmittel wird ausgeglichen durch seine größere Masse. Dies hat :den Vorzug, daß:
die Düsenquerschnitte größer werden und nicht so genau bearbeitet sein müssen wie
bei Dampfdüsen. Wesentlichster Vorteil ist aber, d:aß infolge der geringeren Geschwindigkeiten
der Gütegrad ganz bedeutend verbessert wird und auch höhere Drücke erreicht werden.
Es kann vorteilhaft sein, den geringeren Energieinhalt des Kesselwassers zum Teil
dadurch auszugleichen, :daß aus dem Dampfraum Dampf abgesaugt wird. Zu diesem Zweck
genügt es, aus dem Dampfraum der Trommel ein Rohr 14 bis in die Mündung des Rohres
:2 zu führen, so, da,ß von dem Kesselwasser Dampf mitgerissen wird und beide zusammen
in der Düse entspannt werden. Dadurch wird zwar die benötigte Menge Kesselwasser
verringert, andererseits steigen aber je nach der Menge des .abgesaugten Dampfes
die Austrittsgeschwindigkeiten wieder an. Sie bleiben aber immer noch weit unter
den üblichen Aus:strömgeschwindigkeiten bei reimen Dampfdüsen.
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Die Ausführungsform nach Abb.2 zeigt ebenfalls eine Strahlpumpe zum
Speisen von Dampferzeugern. Der Unterschied gegenüber der vorhergehend beschriebenen.
Form besteht :darin, daß außer der Fangdüse 5 getrennt davon auch noch eine besondere
Mischdüse 15 vorgesehen ist. In dem Raum r6 wird der Dampf aus dem Treibstrahl ausgeschieden
und abgeleitet. In den Raum 17 tritt das Speisewasser ein. Durch Einschaltung eines
Wärmeaustauschers
ist es ohne weiteres möglich, das eintretende
Speisewasser durch den Abdampf vorzuwärmen, wenn die Speisewassertemperatur noch
niedrig genug ist. Auch in diesem Fall kann durch das Rohr 14 zusätzlich Dampf abgesaugt
werden. Das Regelventil i$ gestattet, die Menge des abgesaugten Dampfes zu begrenzen.
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Abb. 3 zeigt eine Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens für die
Umwälzung von Kesselwasser in Zwangumlaufdampferzeugern. Das aus der Trommel i durch
das Zulaufrohr 2 abströmende Kesselwasser wird in der Düse 3 entspannt. Der entstandene
Dampf wird zu einer Stelle niederen Druckes durch das Rohr 8 abgeleitet. Die Fangdüse
5 dient nur dazu, den Wasserstrahl nach Austritt des Dampfes wieder zu vereinigen,
eine weitere Entspannung findet darin nicht statt. Der Ouerschnitt ist entsprechend
der Was.serdurchflußmenge bemessen. In dem Diffuser 6 wird das Kesselwasser auf
einen über dem Trommeldruck gelegenen Druck, etwa 2,5 at, gebracht und dem Wasserverteiler
ig zugeführt, von wo, es über die Verdampferrohre 20 und Sammler 2i als Dampf-Wasser-Gemisch
wieder in die Trommel i eintritt. Die Höhe der Entspannung in der Düse 3 ist weitgehend
von der Menge des Umwälzwas-sers und deren Betriebsdruck abhängig. Sie nimmt mit
dem Druck zu und verringert sich mit der Menge. Es ist aber .damit zu rechnen, daß
mindestens 2 at erforderlich sind, um die Förderleistung aufzubringen, d. h. im
Diffuser muß eine Drucksteigerung von etwa 4 bis 5 at erreicht werden. Der abzuleitende
Dampf hat mithin noch eine Spannung, die nur wenige Atmosphären unter Betriebsdruck
liegt, und kann noch für andere Zwecke ausgenutzt werden. In der Leitung 8 ist ein
Regelventil 22 angeordnet, das den Druck im Raum 4 steuert. Es ist auch möglich,
diesen Druck in Abhängigkeit von der Kesselleistung zu regeln. Hinter dem Diffuser
6 ist ein Rückschlagventil io vorgesehen, um zu verhindern, daß beim Anfahren die
Strömung rückwärts verläuft. Zur Inbetriebnahme der Strahlpumpe ist nur nötig, das
Absperrventil g zu öffnen. Durch den Staudruck der Strömung wird dann das Rückschlagventil
io geöffnet. Unter Umständen kann es vorteilhaft sein, bis zur Entfaltung der vollen
Geschwindigkeit zunächst einen Teil des Kesselwassers über die Leitung 23 abzulassen.
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Das Ausführungsbeispiel nach Abb. 4 zeigt die Anordnung einer Strahlpumpe
zum Zweck .der Umwälzung von Kesselwasser in der Dampf-Wasser-Gemisch-Ableitung
eines Zwangumlaufdampferzeugers. Das Umwälzwasser tritt von dem Verteiler ig in
die Verdampferrohre 2o ein. Das erzeugte Dampf-Wasser-Gemisch wird in dem Sammler
2i gesammelt. An einem oder auch beiden Enden des Sammlers 21 sind Düsen 3 angeordnet,
in denen das Dampf-Wasser-Gemisch zum Teil entspannt wird. Der Dampfanteil wird
über das Rohr 22' in den Dampfraum der Trommel i abgeleitet. Das Wasser wird in
der Fangdüse 5 gesammelt. Der aus der Fangdüse austretende Wasserstrahl reißt aus
dem Raum 17, der über Rohr 23 mit dem Wasserraum der Trommel i in Verbindung
steht, Kesselwasser mit. Das Gemisch wird in dem Diffuser 6 wieder auf den erforderlichen
Druck gebracht und über das Rückschlagventil io wieder zum Wasserverteiler ig geführt.
DieseAusführungsformhatden Vorzug, daß durch den verhältnismäßig hohen Anteil von
Dampf in :dem Gemisch die notwendigeEntspannung geringer sein kann als in dem vorher
beschriebenen Beispiel. Außerdem wird durch die gemeinsame Entspannung und Abscheidung
des Dampfes eine Vorabscheidung des Gemisches erreicht und der Dampfraum der Trommel
ganz wesentlich entlastet, so daß man mit einer verhältnismäßig kleinen Dampftrommel
auskommen kann, die unter Umständen nicht größer zu sein braucht, als zur sicheren
Regelung des Wassserstandes erforderlich ist. Das Anfahren der Strahlpumpe kann.
in der Weise durchgeführt werden, daß das Rohrsystem unter Überdruck gehalten wird.
Hierzu kann ein Absperrorgan 3o dienen, das zwischen dem Sammler 2i und .der Düse
3 angeordnet ist. Beim Anfahren ist das Ventil 30 geschlossen. Bei Beheizung
des Rohrsystems 20 entsteht ein Überdruck, da das Rückschlagventil io ebenfalls
einenAbfluß aus dem Rohrsystem verhindert. Durch schnelles Öffnen des Ventils
30 unter Ausnutzung des plötzlichen Stoßes wird die Strahlpumpe in Gang gesetzt.
Gegebenenfalls kann man diesen Vorgang mehrmals wiederholen, falls die Pumpe nicht
gleich anspringt. Das Ventil 3o kann auch als Sicherheitsventil ausgebildet sein,
das bei einem bestimmten Überdruck im Rohrsystem öffnet.
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Bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen wurde der Wasserstrahl
nicht -abgelenkt, und es ist nicht ganz ausgeschlossen, daß durch in .den Diffuser
mitgerissene Dampfblasen der Förderdruck unerwünscht abfällt. Auch kann. durch Wasserstau
in der Fangdüse der Gütegrad verringert werden. Diese Schwierigkeiten werden bei
derAusführungsform nach Abb. 5 und 6 vermieden. Wie Abb. 5 zeigt, ist zwischen die
Düse 3 und dem Diffuser 6 ein zylindrischer Behälter 23" geschaltet, und zwar derart,
daß das Dampf-Wasser-Gemisch etwa tangential in diesen Behälter einströmt. Durch
die Ablenkung des Strahles wird der Dampf nach innen gedrängt und durch das zentral
einmündende Rohr 24 zur Trommel abgeleitet, während das nach außen geschleuderte
Wasser in den Diffuser 6 gelangt und hierin die Strömungsgeschwindigkeit wieder
in Druck umgesetzt wird. Zum Ersatz des verdampften Dampfes kann aus dem. Wasserraum
der Trommel durch das Rohr 2q.' Kesselwasser zufließen. Wenn notwendig, kann die
ZufluBmenge durch Ventil 25 geregelt werden. Da die Strahlpumpe zyklonartig
ausgebildet ist, werden die Strömungsverluste verringert und bei den auftretenden
Geschwindigkeiten eine hohe Trennung von Dampf und Wasser erzielt. Es ist zweckmäßig,
den Behälter 23" im Querschnitt als abgestumpften Kegel auszubilden, wie es Abb.
6 zeigt, die einen Schnitt nach der Linie A-B. in Abb. 5 darstellt. Durch diese
Form wird das ausgeschleuderte Wasser besser zu einem Strahl zusammengefaßt.
In
dem Ausführungsbeispiel nach Abb. 7 sind zwei zylindrische Gefäße 23" und 26 vorgesehen,
die durch den Diffusor 27 miteinander verbunden sind. Das Gefäß 23" .dient wieder
wie im vorhergehenden Fall zur Trennung des entstandenen Dampf-Wasser-Gemisches.
Der abgeschiedene Dampf kann über Leitung 24 zum Dampfraum der Trommel abströmen.
Das Gefäß 26 steht durch das zentrale Zuflußrohr 28 mit dem Wasserraum der Trommel
in Verbindung. Im Betrieb ist das Gefäß 26 mit kreisendem Wasser gefüllt, ähnlich
wie in einer Schleuderpumpe. Die kreisende Bewegung wird dadurch erreicht, daß der
Strahl des in dem Gefäß. 23" abgeschiedenen Wassers tangential in das Gefäß 26 überströmt.
Zur Überwindung des statischen Druckes der kreisenden Wassermenge im Gefäß 26 ist
es notwendig, den aus dem Gefäß 23" austretenden Strahl in dem Diffusor 2.7 auf
diesen Druck zu bringen. Der restliche dynamische Druck wird dann in dem Diffusor
6 auf den erforderlichen Betriebsdruck gebracht. Da in dem Gefäß 26 der statische
Druck von außen nach innen abnimmt, genügt der Zuflußdruck im Rohr 28, um das Ersatz-Wasser
aus der Trommel zufließen zu lassen. Zur Inbetriebnahme wird zunächst das Gefäß
23" durch Rohre 29 mit einer Stelle niederen Druckes verbunden, um die Strömung
in Gang zu setzen. Selbstverständlich müssen im Rohr 24 wie auch in der Druckleitung
und dem Zuflußrohr 28 Rückschlagventile angeordnet sein. Es ist zunächst durch das
Abflußrohr 2g so viel Kesselwasser abzulassen, bis die erforderliche Wassergeschwindigkeit
zur- Überwindung der Druckunterschiede ausreicht. In ähnlicher Weise kann auch die
Strahlpumpe nach Abb. 5 in Betrieb genommen werden.
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Die Strahlpumpen nach der Erfindung können auch zur Umwälzung von
Kesselwasser mit einer mechanisch angetriebenen Schleuderpumpe zusammenarbeiten.
Beide Pumpen können parallel arbeiten, etwa jede für die-halbe Umwälzmenge. Beim
Anfahren des Dampferzeugers aus, dem kalten Zustand würde zunächst nur die Schleuderpumpe
allein arbeiten und die Strahlpumpe erst zugeschaltet werden, wenn das Kesselwasser
auf Siedetemperatur ist.
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Es ist aber auch möglich, wie Abb. 8 zeigt, beide Pumpen hintereinander
zu schalten. Aus der Kesseltrommel i fließt einer Schleuderpumpe 30 Kesselwasser
zu und drückt es der Strahlpumpe 31 zu. Damit der Abdampf der Strahlpumpe in den
Dampfraum der Trommel geleitet werden kann, muß das Kesselwasser hinter der Schleuderpumpe
30 noch entsprechend dem Förderdruck auf Siedetemperatur gebracht werden.
Zu diesem Zweck ist zwischen beiden Pumpen ein Wärmeaustauscher 32 angeordnet, der
zweckmäßigerweise durch Heißdampf beheizt wird. Beim. Anfahren läuft nur die Schleuderpumpe
3'0@ die Strahlpumpe kann erst fördern, wenn das Druckwasser auf Siedetemperatur
erwärmt werden kann.
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Der Vorteil dieser Schaltung- liegt darin, daß der Förderdruck der
Schleuderp#umpeJ 3o nicht höher zu sein braucht, als etwa dem Druckäbfall in der
Düse der Strahlpumpe entspricht. Der Abdampf der Strahlpumpe 31 soll aber noch so,
hohen Druck haben, daß er über Leitung 33 in die Dampftrommel i abströmen kann.
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Auch die umgekehrte Schaltung ist möglich. In diesem Fall wird der
Schleuderpumpe das Kesselwasser bereits mit einem bestimmten Überdruck zugeführt.
Das bedeutet, daß der Förderdruck steigt, sobald das Kesselwasser auf Siedetemperatur
erwärmt ist. Dies ist auch durchaus erwünscht, da mit beginnender Dampfbildung auch
der Durchflußwiderstand in der Heizfläche größer wird.
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Das beschriebene Verfahren ist auch für unter Druck stehende Flüssigkeiten
anwendbar, die mit einem gasförmigen Medium gesättigt sind, z. B. in Wasser gelöstem
Ammoniak. Das Gas wird bei der Entspannung frei und liefert durch die Mitentspannung
die notwendige Pumpenarbeit, wenn das Gas vor der Verdichtung abgeschieden wird.