EP0172336A1 - Vorrichtung zum gleichmässigen Verteilen eines Zwei-Phasengemisches - Google Patents

Vorrichtung zum gleichmässigen Verteilen eines Zwei-Phasengemisches Download PDF

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EP0172336A1
EP0172336A1 EP85107184A EP85107184A EP0172336A1 EP 0172336 A1 EP0172336 A1 EP 0172336A1 EP 85107184 A EP85107184 A EP 85107184A EP 85107184 A EP85107184 A EP 85107184A EP 0172336 A1 EP0172336 A1 EP 0172336A1
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EP
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container
level
section
discharge line
lowest level
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EP85107184A
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English (en)
French (fr)
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Heinz Dr. Juzi
Marco Luca Bernasconi
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Sulzer AG
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Sulzer AG
Gebrueder Sulzer AG
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    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
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    • F22B37/02—Component parts or details of steam boilers applicable to more than one kind or type of steam boiler
    • F22B37/22—Drums; Headers; Accessories therefor
    • F22B37/227—Drums and collectors for mixing
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    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T137/00—Fluid handling
    • Y10T137/2931—Diverse fluid containing pressure systems
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T137/00—Fluid handling
    • Y10T137/8593—Systems
    • Y10T137/85938—Non-valved flow dividers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T137/8593—Systems
    • Y10T137/86348—Tank with internally extending flow guide, pipe or conduit

Definitions

  • the invention relates to a device for uniformly distributing a two-phase mixture fed to a container onto at least one discharge line connected to the container, a level which separates the liquid from the gaseous phase being formed in the container and which can fluctuate between a lowest and a highest value, and the outlet cross-section of the discharge line is still wetted by the liquid phase even at the lowest level.
  • the known device has a high sensitivity to changes in the level. Such level differences can occur frequently in operation, namely as a result of changes in the operating state and also due to vibrations and / or shocks act on the container. If the proportion of liquid phase is small, it must be discharged from the container in small amounts, this small amount being supposed to be evenly distributed in the relatively large amount of the gaseous phase in the discharge lines. The greater the number of discharge lines, the more difficult this becomes. If, on the other hand, the proportion of liquid phase is large, it must reach the discharge lines in a sufficient amount of the gaseous phase. It has been shown that the known device cannot meet the requirement for an adaptation of the uniform distribution when large and rapid level changes occur.
  • Devices of the type mentioned are e.g. applied to steam generators fired with fossil fuels, the combustion chamber of which is formed from vertically tube-walled walls, the water to be evaporated flowing through the walls from bottom to top.
  • the combustion chamber of which is formed from vertically tube-walled walls, the water to be evaporated flowing through the walls from bottom to top.
  • the proportions of liquid and gaseous phases in the steam / water mixture leaving the combustion chamber walls there are changes in the proportions of liquid and gaseous phases in the steam / water mixture leaving the combustion chamber walls.
  • the heat distribution within the combustion chamber is not uniform, the heat absorption by the water in the individual pipes of the walls is uneven, which results in additional changes in the phase components for the water-steam mixture that emerges from the pipes.
  • the effect of the device according to the invention can be improved even more if the horizontal dimension of the mouth cross-section decreases - starting from the lowest level - this decrease taking place continuously or in stages.
  • the device has a tubular container 1, to which a plurality of supply lines 2 and a plurality of discharge lines 3 are connected from above.
  • a group of two discharge lines 3 is provided for each supply line 2.
  • the supply and discharge lines 2 and 3 protrude in the form of tubes with a circular cross-section into the space enclosed by the container 1, namely they end below the lowest level 6 that occurs during operation.
  • the container 1 is at the two ends, not shown, by means of a tightly welded disc 4 closed.
  • the discharge lines 3 have a smaller clear diameter than the feed lines 2.
  • the sections 3 ' are each provided with a slot 10 which is provided on the side facing away from the associated section 2' of the feed line 2 and in the longitudinal direction of the pipe section 3 '.
  • the slots 10 form the mouth cross section of the discharge lines 3, the horizontal dimension of which is constant here from bottom to top, since the vertical boundary edges are parallel.
  • the container 1 and the Sections 2 'and 3' of the supply lines 2 and the discharge lines 3 protruding into it are designed such that the ends of the sections are immersed in the liquid phase below the level 6, even at the lowest level at least 20% of the length of the slots 10 of the liquid phase is wetted. At the highest level, a small section of the slots always remains open.
  • the discharge lines 3 are arranged essentially vertically, whereas the supply lines 2 are somewhat inclined with respect to the vertical, but are perpendicular to the axis of the container 1. At the penetration points of the supply and discharge lines 2 and 3, these are tightly welded to the container wall.
  • a two-phase mixture for example of steam and water, flows via the feed lines 2, 2 'into the container 1, is distributed in the relatively large container space and thus loses speed considerably, with the two phases, of all, falling apart the effect of gravity, so that level 6 is formed.
  • the liquid and the gaseous phase flow through the slots 10 in accordance with the behavior already described, so that - since all discharge lines 3, 3' have the same operating conditions and the same dimensions are present - the ratio of gas or steam to liquid in the discharged mixture in all discharge lines 3, 3 'is practically the same.
  • the slot 41 delimiting the mouth cross section of the section 40 of the discharge line protruding into the container is formed by a slightly curved cutting surface which runs downwards against the axis of the section, so that the slot in the front view according to FIG has a trapezoidal outline.
  • the pipe section 42 of a discharge line is provided with a slot 43 through which .
  • a flat cutting surface has been created which runs downwards against the axis of the section, so that the slot appears in the front view according to FIG. 6 as a half ellipse.
  • the decrease in the horizontal dimension of the mouth cross section formed by the slot takes place more rapidly with increasing level in the example according to FIGS. 3 and 4 than in that according to FIGS. 5 and 6.
  • the change in the horizontal dimension of the slot 45 in the pipe section 44 of the discharge line according to FIGS. 7 and 8 is very particularly advantageous.
  • the slot 45 is approximately in the uppermost third like the slot 10 in FIGS. 1 and 2 and otherwise like that 3 and 4 formed slot 41. It has been shown that the shape of the slot 45 at the transition from the lowest to the highest level achieves a sufficiently rapid increase in the amount of liquid phase removed. This slot shape is also insensitive to level fluctuations to a sufficient extent.
  • the supply and discharge lines may include angles other than 90 ° with the longitudinal direction of the container or may also be curved; the supply lines can also be connected to the container from the side or from below.
  • the container can have a shape other than the circular cylindrical tube.
  • the supply and / or the discharge lines can be closed at their ends projecting into the container, so that the openings forming the respective mouth cross-section are only in the jacket of the pipe section in question, or the openings mentioned can have shapes other than those shown, for example as a helical slot; two or more parallel-flowing slots per pipe section are also possible.

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Abstract

Die Vorrichtung weist einen Behälter (1) auf, an dem mindestens eine Zufuhrleitung (2,2') und mindestens eine Abfuhrleitung (3,3') für das Gemisch angeschlossen sind. Im Behälter (1) bildet sich ein die flüssige von der gasformigen Phase trennendes Niveau (6), das zwischen einem tiefsten und einem höchsten Wert schwanken kann. Die horizontale Abmessung des Mündungsquerschnittes (10) - über seine vertikale Erstreckung betrachtet - ist vom tiefsten Niveau bis zum höchsten Niveau gleich gross wie auf dem tiefsten Niveau oder nimmt ab. Hierdurch wird auch bei starken Niveau-Schwankungen eine praktisch stets gleichmässige Verteilung der beiden Phasen des Gemisches in der Abfuhrleitung erreicht.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum gleichmässigen Verteilen eines einem Behälter zugeführten Zwei-Phasengemisches auf mindestens eine am Behälter angeschlossene Abfuhrleitung, wobei sich im Behälter ein die flüssige von der gasförmigen Phase trennenes Niveau ausbildet, das zwischen einem tiefsten und einem höchsten Wert schwanken kann, und wobei der Mündungsquerschnitt der Abfuhrleitung auch bei tiefstem Niveau noch von der flüssigen Phase benetzt ist.
  • Eine solche Vorrichtung ist bekannt, deren Behälter aus einem horizontalen Rohr besteht, in den eine Anzahl Zufuhrleitungen und eine gleiche oder grössere Anzahl Abfuhrleitungen münden. In der Vorrichtung sollen zwei Phasen des Gemisches gleichmässig so auf die Abfuhrleitung verteilt werden, dass in diesen Leitungen die Phasenanteile gleich sind und bei konstantem Betriebszustand konstant bleiben, unabhängig davon, ob in den einzelnen Zufuhrleitungen das Gemisch mit unterschiedlichen Phasenanteilen zugeführt wird und/oder ob die Phasenanteile in den Zufuhrleitungen zeitlichen Aenderungen unterliegen. Die gleichmässige Verteilung soll folgendermassen erreicht werden:
    • 1. In dem relativ grossen Raum im Behälter sinkt die Geschwindigkeit des Gemisches auf einen relativ niedrigen Wert, die Strömung beruhigt sich, und es findet eine Trennung der beiden Gemischphasen statt, hauptsächlich infolge der verschiedenen spezifischen Gewichte.
    • 2. Die Oberfläche der nun verhältnismässig ruhigen flüssigen Phase bildet ein Niveau, das die Mündungsöffnung der Abfuhrleitung schneidet. In dieser Oeffnung fliesst die aus dem Behälter austretende gasförmige Phase schneller als die zähe und dichte flüssige Phase, so dass diese von jener teilweise mitgerissen wird. Die Mündungsöffnung der Abfuhrleitung funktioniert also etwa wie eine Strahlpumpe. Bei gleichbleibendem Niveau und gleichbleibenden Druckverhältnissen im Inneren des Behälters und der Abfuhrleitung ist die Menge der aus dem Behälter austretenden Flüssigkeit konstant und kann durch entsprechende Auslegung der Bauteile der Vorrichtung im voraus bestimmt werden. Es ist auf diese Weise möglich, die Phasenanteile in dem den Behälter verlassenden Gemisch zu steuern und konstant zu halten, selbst wenn die Anzahl Zufuhrleitungen von der der Abfuhrleitungen verschieden ist.
  • Die bekannte Vorrichtung weist jedoch eine grosse Empfindlichkeit auf Aenderungen des Niveaus auf. Solche Niveauunterschiede können im Betrieb häufig auftreten, und zwar infolge von Aenderungen des Betriebszustandes wie auch aufgrund von Vibrationen und/oder Stössen, die auf den Behälter wirken. Ist der Anteil an flüssiger Phase gering, so muss diese in kleinen Mengen aus dem Behälter abgeführt werden, wobei in den Abfuhrleitungen diese kleine Menge in der relativ grossen Menge der gasförmigen Phase gleichmässig verteilt vorliegen soll. Dies wird um so schwieriger, je grösser die Anzahl der Abfuhrleitungen ist. Ist dagegen der Anteil an flüssiger Phase gross, muss diese in einer ausreichenden Menge gasförmiger Phase verteilt in die Abfuhrleitungen gelangen. Es hat sich gezeigt, dass die bekannte Vorrichtung die Forderung nach einer Anpassung der gleichmässigen Verteilung bei Auftreten grosser und rascher Niveauänderungen nicht erfüllen kann.
  • Vorrichtungen der eingangs genannten Art werden z.B. bei mit fossilen Brennstoffen befeuerten Dampferzeugern angewendet, deren Brennkammer aus vertikal berohrten Wänden gebildet ist, wobei das zu verdampfende Wasser die Wände von unten nach oben durchströmt. Abhängig vom Betriebszustand ergeben sich Aenderungen der Anteile an flüssiger und gasförmiger Phase in dem die Brennkammerwände verlassenden Dampf/Wassergemisch. Da ausserdem die Wärmeverteilung innerhalb der Brennkammer nicht gleichmässig ist, ist die Wärmeaufnahme durch das Wasser in den einzelnen Rohren der Wände ungleich, was für das Wasser-Dampf-Gemisch, das aus den Rohren austritt, zusätzliche Aenderungen in den Phasenanteilen ergibt.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, in der auf einfache und kostengünstige Art die Abweichungen der Anteile an flüssiger und gasförmiger Phase im ausströmenden Gemisch gegenüber der Idealverteilung auch bei stark schwankendem Niveau wesentlich verringert werden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die horizontale Abmessung des Mündungsquerschnittes - über seine vertikale Erstreckung betrachtet - vom tiefsten Niveau bis zum höchsten Niveau höchstens so gross ist wie auf dem tiefsten Niveau.
  • Es hat sich gezeigt, dass durch die neue Gestaltung des Mündungsquerschnitts der Abfuhrleitung bei steigendem Niveau im Behälter die Menge an in die Abfuhrleitung mitgeführter Flüssigkeit sich mit dem Anteil an flüssiger Phase im Gemisch, das dem Behälter zugeführt wird, schneller als nach dem Stand der Technik vergrössert. Damit ist also auch bei stark schwankenden Niveaus stets eine gleichmässige Verteilung der beiden Phasen im aus dem Behälter abströmenden Gemisch sichergestellt. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass sich die neue Gestaltung des Mündungsquerschnitts auf bestehende Vorrichtungen anwenden lässt, indem der Behälter im Bereich der Abfuhrleitung entsprechend angepasst wird.
  • Die Wirkung der erfindungsgemässen Vorrichtung lässt sich noch verbessern, wenn die horizontale Abmessung des Mündungsquerschnitts - vom tiefsten Niveau ausgehend - nach oben abnimmt, wobei diese Abnahme kontinuierlich oder stufenweise erfolgen kann.
  • Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1 teilweise in Ansicht und teilweise im Schnitt eine Vorrichtung nach der Erfindung
    • Fig. 2 einen Schnitt gemäss der Linie II - II in Fig. l,
    • Fig. 3 und 4 einen Schnitt bzw. eine Ansicht des Mündungsbereiches einer Abfuhrleitung, wobei der Schnitt nach der Linie III - III in Fig. 4 verläuft,
    • Fig. 5 und 6 einen Schnitt bzw. eine Ansicht des Mündungsbereiches einer anderen Abfuhrleitung, wobei der Schnitt gemäss der Linie V - V in Fig. 6 verläuft und
    • Fig. 7 und 8 einen Schnitt bzw. eine Ansicht des Mündungsbereiches einer weiteren Abfuhrleitung, wobei der Schnitt nach der Linie VII - VII in Fig. 8 verläuft.
  • Gemäss Fig. l und 2 weist die Vorrichtung einen rohrförmigen Behälter 1 auf, an den von oben mehrere Zufuhrleitungen 2 und mehrere Abfuhrleitungen 3 angeschlossen sind. Für jede Zufuhrleitung 2 ist eine Gruppe von zwei Abfuhrleitungen 3 vorhanden. Die Zufuhr- und die Abfuhrleitungen 2 bzw. 3 ragen in Form von Rohren mit kreisrundem Querschnitt in den vom Behälter 1 umschlossenen Raum, und zwar enden sie unterhalb des tiefsten im Betrieb auftretenden Niveaus 6. Der Behälter 1 ist an den beiden nicht gezeigten Enden mittels einer dicht angeschweissten Scheibe 4 verschlossen. Die Abfuhrleitungen 3 weisen einen kleineren lichten Durchmesser auf als die Zufuhrleitungen 2. Die Abschnitte 3' sind mit je einem Schlitz 10 versehen, der auf der dem zugehörigen Abschnitt 2' der Zufuhrleitung 2 abgewandten Seite und in Längsrichtung des Rohrabschnittes 3' angebracht ist. Die Schlitze 10 bilden den Mündungsquerschnitt der Abfuhrleitungen 3, dessen horizontale Abmessung hier von unten nach oben gleichbleibend ist, da die vertikalen Begrenzungskanten parallel sind. Der Behälter 1 und die in ihn hineinragenden Abschnitte 2' und 3' der Zufuhrleitungen 2 bzw. der Abfuhrleitungen 3 sind so ausgelegt, dass die Enden der Abschnitte in die flüssige Phase unterhalb des Niveaus 6 eintauchen, wobei selbst beim tiefsten Niveau mindestens 20% der Länge der Schlitze 10 von der flüssigen Phase benetzt ist. Beim höchsten Niveau bleibt immer ein kleiner Abschnitt der Schlitze offen. Im Bereich des Behälters 1 sind die Abfuhrleitungen 3 im wesentlichen vertikal angeordnet, wogegen die Zufuhrleitungen 2 gegenüber der Vertikalen etwas geneigt, aber zur Achse des Behälters 1 rechtwinklig sind. An den Durchdringungsstellen der Zufuhr-und der Abfuhrleitungen 2 bzw. 3 sind diese mit der Behälterwand dicht verschweisst.
  • Im Betrieb der Vorrichtung strömt ein Zwei-Phasengemisch, z.B. aus Dampf und Wasser, über die Zufuhrleitungen 2, 2' in den Behälter 1, verteilt sich in dem relativ grossen Behälterraum und verliert dadurch wesentlich an Geschwindigkeit, wobei sich die beiden Phasen, vonallem unter der Wirkung der Schwerkraft, voneinander trennen, so dass sich das Niveau 6 bildet. Infolge des niedrigeren Druckes in den Abfuhrleitungen 3, 3' strömen die flüssige und die gasförmige Phase, entsprechend dem bereits beschriebenen Verhalten, durch die Schlitze 10 hindurch, so dass - da in allen Abfuhrleitungen 3, 3' die gleichen Betriebszustände herrschen und die gleichen Abmessungen vorhanden sind - das Mengenverhältnis Gas oder Dampf zu Flüssigkeit im abgeführten Gemisch in allen Abfuhrleitungen 3, 3' praktisch gleich ist. Aendert sich das genannte Mengenverhältnis im dem Behälter zugeführten Gemisch bzw. das Niveau 6, so ändert sich entsprechend das Mengenverhältnis zwischen dem Gas oder Dampf und der Flüssigkeit im ausströmenden Gemisch, wobei Abweichungen gegenüber der Idealverteilung für jedes Niveau 6 nur gering sind. Kurzlebige, kleine Niveauänderungen haben keinen nennenswerten Einfluss auf das erwähnte Verhältnis.
  • Gemäss Fig. 3 und 4 ist der den Mündungsquerschnitt begrenzende Schlitz 41 des in den Behälter ragenden Abschnitts 40 der Abfuhrleitung durch eine leicht gekrümmte, nach unten gegen die Achse des Abschnitts verlaufende Schnittfläche gebildet, so dass der Schlitz in der Frontansicht nach Fig. 4 einen trapezförmigen Umriss hat.
  • Gemäss Fig. 5 und 6 ist der Rohrabschnitt 42 einer Abfuhrleitung mit einem Schlitz 43 versehen, der durch . eine ebene, nach unten gegen die Achse des Abschnitts verlaufende Schnittfläche entstanden ist, so dass der Schlitz in der Frontansicht nach Fig. 6 als eine halbe Ellipse erscheint. Die Abnahme der horizontalen Abmessung des von dem Schlitz gebildeten Mündungsquerschnitts erfolgt bei steigendem Niveau beim Beispiel nach Fig.3 und 4 rascher als bei jenem gemäss Fig. 5 und 6.
  • Ganz besonders vorteilhaft verläuft die Aenderung der horizontalen Abmessung des Schlitzes 45 im Rohrabschnitt 44 der Abfuhrleitung gemäss Fig. 7 und 8. Bei diesem Beispiel ist der Schlitz 45 etwa im obersten Drittel wie der Schlitz 10 in Fig. 1 und 2 und im übrigen wie der Schlitz 41 gemäss Fig. 3 und 4 ausgebildet. Es hat sich gezeigt, dass mit der Form des Schlitzes 45 beim Uebergang von dem tiefsten auf das höchste Niveau eine hinreichend schnelle Zunahme des abgeführten Anteils an flüssiger Phase erreicht wird. Auch diese Schlitzform ist in genügendem Masse unempfindlich auf Niveauschwankungen.
  • Abweichend von den beschriebenen Ausführungsbeispielen können die Zu- und Abfuhrleitungen andere Winkel als 90° mit der Längsrichtung des Behälters einschliessen oder auch gekrümmt verlaufen; die Zufuhrleitungen können auch von der Seite oder von unten her an den Behälter angeschlossen sein. Der Behälter kann eine andere als die kreiszylindrische Rohrform aufweisen. Die Zufuhr- und/oder die Abfuhrleitungen können an ihren in den Behälter ragenden Enden geschlossen sein, so dass sich die den jeweiligen Mündungsquerschnitt bildenden Oeffnungen nur in dem Mantel des betreffenden Rohrabschnittes befinden, oder die genannten Oeffnungen können andere als die gezeigten Formen aufweisen, z.B. als nach einer Schraubenlinie gewundener Schlitz; auch zwei oder mehrere parallel durchströmte Schlitze je Rohrabschnitt sind möglich.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum gleichmässigen Verteilen eines einem Behälter zugeführten Zwei-Phasengemisches auf mindestens eine am Behälter angeschlossene Abfuhrleitung, wobei sich im Behälter ein die flüssige von der gasförmigen Phase trennendes Niveau ausbildet, das zwischen einem tiefsten und einem höchsten Wert schwanken kann, und wobei der Mündungsquerschnitt der Abfuhrleitung auch bei tiefstem Niveau noch von der flüssigen Phase benetzt ist, dadurch gekenn- zeichnet, dass die -horizontale Abmessung des Mündungsquerschnittes - über seine vertikale Erstreckung betrachtet - vom tiefsten Niveau bis zum höchsten Niveau höchstens so gross ist wie auf dem tiefsten Niveau.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die horizontale Abmessung, vom tiefsten Niveau ausgehend, kontinuierlich abnimmt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfuhrleitung, vorzugsweise vertikal, in den Behälter hineinragt und unterhalb des tiefsten Niveaus in der flüssigen Phase endet und dass der Mündungsquerschnitt in Form eines Schlitzes in dem hineinragenden Abschnitt vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz parallel zur Längsachse des hineinragenden Abschnittes verläuft.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz, vom tiefsten Niveau ausgehend, kontinuierlich abnimmt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz, vom tiefsten Niveau ausgehend, stufenweise abnimmt.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass der Mündungsquerschnitt der Abfuhrleitung auf der der Gemischzufuhr abgewandten Seite angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter aus einem im wesentlichen horizontalen Rohr besteht.
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