EP0337925B1 - Dampfkühler - Google Patents

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EP0337925B1
EP0337925B1 EP89730073A EP89730073A EP0337925B1 EP 0337925 B1 EP0337925 B1 EP 0337925B1 EP 89730073 A EP89730073 A EP 89730073A EP 89730073 A EP89730073 A EP 89730073A EP 0337925 B1 EP0337925 B1 EP 0337925B1
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EP
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steam
apron
housing
flow
nozzle system
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Helmut Sauerbrey
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Vodafone GmbH
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Mannesmann AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22G—SUPERHEATING OF STEAM
    • F22G5/00—Controlling superheat temperature
    • F22G5/12—Controlling superheat temperature by attemperating the superheated steam, e.g. by injected water sprays
    • F22G5/123—Water injection apparatus

Definitions

  • the invention relates to a steam cooler with water injection according to the preamble of claim 1.
  • Steam coolers of this type for generating low-temperature steam from superheated steam while maintaining the steam pressure approximately belong to the generally known prior art. They are installed in steam lines via flange or welded connections and essentially consist of a tubular housing in which a nozzle system for central water injection is arranged. The water is usually injected in the direction of flow of the superheated steam to be cooled. So that the tubular housing of the steam cooler is not damaged under the influence of cold water (thermal stress), an inner tubular apron is arranged coaxially at a distance from the housing wall. The apron is held by welding cams that are connected to the apron and the housing wall.
  • Part of the superheated steam to be cooled enters the annular gap between the apron and the housing wall at the upper end of the apron and out of the latter again at the lower end of the apron.
  • the cooler internal current is enveloped by a hotter external current.
  • Temperature equalization of both partial flows takes place with a delay via the boundary layer of the partial flows.
  • the temperature decrease of the steam behind the injection point is measured after passing through a mixing section.
  • a distance that is at least 15 to 20 times the pipe diameter is normally to be maintained.
  • a mixing device for liquids of different temperatures is known from US-A-34 09 274, the liquid to be mixed being introduced tangentially through openings.
  • the connection area is double-walled for temperature compensation.
  • Another steam cooler is known from DE-A-19 49 477.
  • several different swirl devices equipped with guide vanes are provided. Some of these can be adjusted in their axial position.
  • a peripheral nozzle system is also required for water injection.
  • a superheated steam injection cooler with the features specified in the preamble of claim 1 is known from the generic DE-C-11 46 501.
  • the nozzle system for the steam inlet is located within an apron, so that the inlet from the side and beyond is close to the area of the outlet side of the steam from the cooler.
  • the object of the invention is to provide a steam cooler with the features of the preamble of claim 1, in which the compensation path for the steam temperature measurement at most 10 times the amount of the diameter without requiring a complex construction.
  • the invention provides that the annular gap existing between the apron and the housing wall on the side of the steam inlet is closed and is only open at the lower end of the apron. This prevents part of the superheated steam from being temporarily separated from the rest of the flow.
  • a flow displacement body is arranged coaxially to the housing axis in front of the lower end of the apron, guide vanes emanating from this flow displacement body in the radial direction, the surfaces of which are inclined to the axial flow direction of the steam.
  • the guide vanes which are tightly bound with the apron and the flow displacement body, give the flow a swirl around the housing axis.
  • the flow displacement body is preferably rotationally symmetrical, for example shaped as a truncated cone with a rounded head and foot part, the cone tip opposing the direction of flow.
  • FIGS. 1 and 2 in the axial longitudinal cross section or in plan view.
  • the steam cooler shown can be installed as a structural unit directly into a steam line by means of two circular seams on the front. It is of course also possible to design the connection as a flange connection.
  • the steam cooler has an essentially tubular housing with the cylindrical housing wall 1.
  • the cross section on the inlet side 10 for the superheated steam is smaller than that on the outlet side 13 for the cooled steam.
  • a nozzle system 4 is arranged centrally, to which the injection water required for steam cooling (possibly for finer distribution with the additional use of motive steam) is supplied via the water connection 9.
  • the nozzle system 4 preferably consists of several individual nozzles and is expediently designed as a swirl or circular nozzle system.
  • the spray direction of the nozzles is directed somewhat obliquely outwards in the direction of flow.
  • the cylindrical housing part 15 at the steam inlet 10 merges in the flow direction into a conical expansion part 11, which in turn is tightly connected to a welded part 3 of the same connection diameter designed as a double ring.
  • the double ring 3 has an H-shaped profile in cross section.
  • the upper leg of the h-profile 3 is tightly welded to the extension part 11, the inner lower leg with a tubular skirt 2 and the outer lower leg with the housing wall 1.
  • a flow displacement body 5 is preferably arranged coaxially to the housing axis at a distance which corresponds approximately to 2 to 3 times the housing diameter.
  • the flow displacement body 5 is preferably rotationally symmetrical, in particular approximately frustoconical in shape with a rounded head and foot part, the cone tip should point against the direction of flow.
  • the flow displacement body 5 is held by radially extending guide vanes which are fixedly connected to the skirt 2 and whose vane surfaces are inclined at an angle to the direction of flow.
  • the individual guide blades 6 can additionally be held together by a reinforcing ring 14.
  • the apron 2 is expediently supported by spacer cams 12 welded on one side either to the apron 2 or to the housing wall 1.
  • an annular space 8 is formed between the skirt 2 and the housing wall 1, which is open to the downstream end of the skirt 2.
  • the present internal pressure is absorbed by the housing parts 15, 11, 3 and 1.
  • the apron 2 ensures that the housing wall 1 is not exposed to strong temperature fluctuations due to the water injected into the injection chamber 7 via the nozzle system 4 for cooling the superheated steam.
  • a uniformly tempered saturated steam zone can be formed in the annular space 8, which is closed toward the steam inlet side 10 and is to be regarded as a dead zone in terms of flow technology.
  • the steam flow remains completely undivided and limited to the free cross section within the apron 2. Since the temperature distribution fluctuates greatly across the flow cross-section - the highest temperatures can be found in the area of the cooler axis - the internals 5, 6 aim to make the temperature more uniform by intensely swirling the flow.
  • the steam flow is torn open by the flow displacement body 5 in the central region, deflected into the peripheral regions and set into an additional swirl movement around the housing axis by the guide vanes.
  • two or more (shortened) sections with a double ring, apron, housing wall and flow displacement body with guide vanes can also be arranged one behind the other in the steam cooler.
  • the design makes it possible to drastically reduce the compensation distance for reliably determining the effective mixing temperature of the steam compared to the prior art. In many cases, a distance that is about 4 to 5 times the pipe diameter is sufficient.
  • Another major advantage results from the changed way of fastening the apron 2 to the housing wall 1 via the weld-in part 3. While the fastening by means of spacer cams welded on both sides in the prior art leads to very strong thermal tensions between the hot housing wall (part of the superheated steam flows continuously past it) and the apron which is colder due to the splashing water, which often causes damage to the radiator, extreme temperature gradients and consequent stresses on the supporting parts are completely avoided according to the invention, so that longer, trouble-free operation is made possible.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Dampfkühler mit Wassereinspritzung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Derartige Dampfkühler zur Erzeugung von niedriger temperiertem Dampf aus Heißdampf unter annähernder Beibehaltung des Dampfdrucks gehören zum allgemein bekannten Stand der Technik. Sie werden über Flansch- oder Schweißverbindungen in Dampfleitungen eingebaut und bestehen im wesentlichen aus einem rohrförmigen Gehäuse, in dem ein Düsensystem zur zentralen Wassereinspritzung angeordnet ist. Das Wasser wird in der Regel in Strömungsrichtung des abzukühlenden Heißdampfes eingespritzt. Damit das rohrförmige Gehäuse des Dampfkühlers nicht unter der Einwirkung des kalten Wassers beschädigt wird (Thermospannungen), ist im Abstand von der Gehäusewand eine innere rohrförmige Schürze koaxial angeordnet. Die Schürze wird über Anschweißnocken, die mit der Schürze und der Gehäusewand verbunden sind, gehalten. Ein Teil des Abzukühlenden Heißdampfes tritt am oberen Ende der Schürze in den zwischen der Schürze und der Gehäusewand bestehenden Ringspalt ein und am unteren Ende der Schürze wieder aus diesem heraus. Dadurch wird der kühlere Innenstrom von einem heißeren Außenstrom umhüllt. Ein Temperaturausgleich beider Teilströme findet verzögert über die Grenzschicht der Teilströme statt.
  • Für die Regelung der erforderlichen Einspritzmenge an Wasser wird die Temperaturabnahme des Dampfes hinter der Einspritzstelle nach Durchlaufen einer Mischstrecke gemessen. Nach den einschlägigen Regelwerken ist hierfür normalerweise ein Abstand einzuhalten, der mindestens das 15- bis 20-fache des Rohrleitungsdurchmessers beträgt.
  • Wenn mehrere Dampfkühler auf eine gemeinsame Dampfverteilerleitung geschaltet sind, kann aus baulichen Gründen diese Mischstrecke nicht immer eingehalten werden, so daß die Temperaturmessung bereits an einer Stelle vorgenommen wird, an der noch kein vollständiger Temperaturausgleich vorliegt. Dies führt zu falschen Meßwerten und damit zu falschen wasseeinspritzmengen.
  • Aus der US-A- 34 09 274 ist eine Mischeinrichtung für Flüssigkeiten unterschiedlicher Temperatur bekannt, wobei die zuzumischende Flüssigkeit durch Öffnungen tangential eingeführt wird. Zum Temperaturausgleichen ist dabei der Anschlußbereich doppelwandig ausgeführt.
  • Andererseits ist in der DE-Zeitschrift "Mitteilungen der Vereinigung der Großkesselbesitzer Heft 32, Dez. 1954, Seiten 345 - 353) die Heißdampf-Temperaturregelung durch Einspritzen von Wasser allgemein bekannt.
  • Ein weiterer Dampfkühler ist aus der DE-A-19 49 477 bekannt, Hierbei sind zur Sicherstellung einer ausreichenden Vermischung von Dampf und eingespritztem Kühlwasser mehrere verschiedene mit Leitschaufeln bestückte Drallapparate vorgesehen. Diese sind teilweise in ihrer axialen Position einstellbar. Für die Wassereinspritzung ist außer einem zentralen auch ein periphäres Düsensystem notwendig.
  • Schließlich ist aus der gattungsbildenden DE-C-11 46 501 ein Heißdampf-Einspritzkühler mit den im Oberbegriff des Anspruchs , 1 angegebenen Merkmalen bekannt. Hierbei befindet sich das Düsensystem für den Dampfeintritt innerhalb einer Schürze, so daß der Eintritt von der Seite und darüber hinaus nahe dem Bereich der Austrittseite des Dampfes aus dem Kühler erfolgt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen Dampfkühler mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 anzugeben, bei dem die Ausgleichsstrecke für die Dampftemperaturmessung höchstens die 10-fache Menge des Durchmessers beträgt, ohne daß es da zu einer aufwendigen Konstruktion bedarf. Darüber hinaus soll der Einbau des Dampfkühlers in eine Dampfleitung auf einfache Weise (z.B. durch zwei stirnseitige Rundnähte) möglich sein.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch einen gattungsgemäßen Dampfkühler mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 - 6 angegeben.
  • Die erfindung sieht vor, daß der zwischen der Schürze und der Gehäusewand bestehende ringspalt auf der Seite des Dampfeintritts geschlossen und nur am unteren Ende der Schürze offen ist. Hierdurch wird vermieden, daß ein Teil des Heißdampfes von der übrigen Strömung zeitweilig abgetrennt wird. Ein weiteres wesentliches Merkmal ist, daß vor dem unteren Ende der Schürze ein Strömungsverdrängungskörper koaxial zur Gehäuseachse angeordnet wird, wobei von diesem Strömungsverdrängungskörper in radialer Richtung Leitschaufeln ausgehen, deren Fläche schräg zur axialen strömunsrichtung des Dampfes angestellt sind. Die Leitschaufeln, die mit der Schürze und dem Strömungsverdrängungskörper fest berbunden sind, geben der Strömung einen Drall um die Gehäuseachse. Der Strömungsverdrängungskörper ist vorzugsweise rotationsymmetrisch, z.B. als Kegelstumpf mit gerundetem Kopf- und Fußteil geformt, wobei die Kegelspitze der Strömungrichtung entgegensteht.
  • Während die Dampfströmung im Bereich der Gehäuseachse durch den Strömungsverdrängungskörper aufgerissen wird, findet durch die Leitschaufeln und den Strömungsabriß am Ende der Schürze eine intensive Verwirbelung der Strömung und somit ein schneller, d.h. auf kurzer Strecke erfolgender Temperaturausgleich statt.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand des in Figur 1 und 2 im axialen Längsquerschnitt bzw. in der Draufsicht dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Der dargestellte Dampfkühler kann als Baueinheit unmittelbar durch zwei stirnseitige Rundnähte in eine Dampfleitung eingebaut werden. Es ist selbstverständlich auch möglich, die Verbindung als Flanschenverbindung zu gestalten. Der Dampfkühler hat ein im wesentlichen rohrförmiges Gehäuse mit der zylindrischen Gehäusewand 1. Der Querschnitt auf der Eintrittsseite 10 für den Heißdampf ist kleiner als derjenige auf der Austrittsseite 13 für den abgekühlten Dampf. Im Bereich der Dampfeintrittsseite 10 ist zentral ein Düsensystem 4 angeordnet, dem über den Wasseranschluß 9 das zur Dampfkühlung erforderliche Einspritzwasser (ggf. zur feineren Verteilung unter zusätzlichem Einsatz von Treibdampf) zugeführt wird. Das Düsensystem 4 besteht vorzugsweise aus mehreren Einzeldüsen und ist zweckmäßig als Drall- oder Kreisldüsensystem ausgebildet. Die Spritzrichtung der Düsen ist in Strömungsrichtung etwas schräg nach außen gerichtet. Das zylindrische Gehäuseteil 15 am Dampfeintritt 10 geht in Strömungsrichtung in ein konisches Erweiterungsteil 11 über, das wiederum mit einem als Doppelring ausgebildeten Einschweißteil 3 gleichen Anschlußdurchmessers dicht verbunden ist. Der Doppelring 3 weist im Querschnitt ein h-förmiges Profil auf. Der obere Schenkel des h-Profils 3 ist mit dem Erweiterungsteil 11, der innen liegende untere Schenkel mit einer rohrförmigen Schürze 2 und der außen liegende untere Schenkel mit der Gehäusewand 1 dicht verschweißt.
  • Vor dem Ende der Schürze ist vorzugsweise in einem Abstand, der etwa dem 2- bis 3-fachen des Gehäusedurchmessers entspricht, ein Strömungsverdrängungskörper 5 koaxial zur Gehäuseachse angeordnet. Der Strömungsverdrängungskörper 5 ist vorzugsweise rotationssymmetrisch, insbesondere etwa kegelstumpfförmig mit gerundetem Kopf- und Fußteil geformt, wobei die Kegelspitze gegen die Strömungsrichtung zeigen sollte. Gehalten wird der Strömungsverdrängungskörper 5 durch radial verlaufende fest mit der Schürze 2 verbundene Leitschaufeln, deren Schaufelflächen schräg gegen die Strömungsrichtung geneigt sind. Die einzelnen Leitschaufeln 6 können zusätzlich durch einen Verstärkungsring 14 untereinander gehalten werden. Zweckmäßigerweise wird die Schürze 2 durch einseitig entweder an die Schürze 2 oder an die Gehäusewand 1 angeschweißte Abstandnocken 12 gestützt. Somit wird zwischen der Schürze 2 und der Gehäusewand 1 ein ringförmiger Raum 8 gebildet, der zum abstromseitigen Ende der Schürze 2 hin offen ist.
  • In der Konstruktion wird der vorliegende Innendruck von den Gehäuseteilen 15, 11, 3 und 1 aufgenommen. Die Schürze 2 gewährleistet, daß die Gehäusewand 1 keinen starken Temperaturschwankungen durch das zur Kühlung des Heißdampfes über das Düsensystem 4 in den Einspritzraum 7 eingespritzte Wasser ausgesetzt wird. In dem zur Dampfeintrittsseite 10 hin geschlossenen Ringraum 8 kann sich eine gleichmäßig temperierte Sattdampfzone ausbilden, die strömungstechnisch als Totzone zu betrachten ist. Im Unterschied zum bisherigen Stand der Technik bleibt die Dampfströmung insofern völlig ungeteilt und auf den freien Querschnitt innerhalb der Schürze 2 beschränkt. Da die Temperaturverteilung über den Strömungsquerschnitt stark schwankt - die höchsten Temperaturen finden sich im Bereich der Kühlerachse -, wird durch die Einbauten 5, 6 eine Vergleichmäßigung der Temperatur angestrebt, indem die Strömung intensiv verwirbelt wird.
  • Hierzu wird die Dampfströmung durch den Strömungsverdrängungskörper 5 im Mittelbereich aufgerissen, in die peripheren Bereiche umgelenkt und durch die Leitschaufeln in eine zusätzliche Drallbewegung um die Gehäuseachse versetzt. Durch den Strömungsabriß am Ende der Schürze 2 und die dort vorliegende Erweiterung des Strömungsquerschnitts kommt es zu einer intensiven Durchmischung der Dampfströmung und somit zu einem schnellen Temperaturausgleich. Wenn die Mischstrecke extrem kurz gehalten werden soll, können im Dampfkühler auch zwei oder mehr (verkürzte) Abschnitte mit Doppelring, Schürze, Gehäusewand und Strömungsverdrängungskörper mit Leitschaufeln hintereinander angeordnet werden.
  • Die Konstruktion ermöglicht es, die Ausgleichsstrecke zur gesicherten Feststellung der effektiven Mischtemperatur des Dampfes gegenüber dem Stand der Technik drastisch zu reduzieren. Vielfach reicht bereits eine Strecke aus, die etwa dem 4- bis 5-fachen des Rohrdurchmessers entspricht. Ein weiterer wesentlicher Vorteil resultiert aus der geänderten Art der Befestigung der Schürze 2 an der Gehäusewand 1 über das Einschweißteil 3. Während die Befestigung mittels beidseitig angeschweißter Abstandnocken im Stand der Technik zu sehr starken thermischen Spannungen zwischen der heißen Gehäusewand (ein Teil des Heißdampfes strömt ständig daran vorbei) und der durch das Spritzwasser kälteren Schürze führt, wodurch haufig Beschädigungen des Kühlers entstehen, werden erfindungsgemäß extreme Temperaturgradienten und dadurch bedingte Spannungen an den tragenden Teilen völlig vermieden, so daß ein längerer störungsfreier Betrieb ermöglicht wird.

Claims (6)

1. Dampfkühler mit Wassereinspritzung mit einem rohrförmigen Gehäuse (1), in dem im bereich der Gehäuseachse ein Düsensystem (4) zur zentralen Einspritzung von Wasser angeordnet ist und bei dem die Gehäusewand (1) durch eine koaxiale innere rohrförmige, zur Seite des Dampfeintritts hin dicht mit der Gehäusewand (1) verbundene Schürze (2) vor Spritzwasser geschützt ist, wobei zwischen der Schürze (2) und der Gehäusewand (1) ein in Strömungsrichtung des Dampfes gesehen am unteren Ende der Schürze (2) offener Ringraum (8) gebildet ist und wobei koaxial zur Gehäuseachse ein Strömungsverdrängungskörper (5) mit radialen Leitschaufeln (6) im Gehäuse angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Dampfeintritt (10) koaxial zur Gehäuseachse angeordnet ist, daß das Düsensystem (4) im bereich der Dampfeintrittsseite (10) und vor der Schürze (2) angeordnet ist, daß der Strömungsverdrängungskörper (5) in Strömungsrichtung des Dampfes gesehen am unteren Ende der Schürze (2) angeordnet ist, wobei der Strömungsverdrängungskörper (5) von den Leitschaufeln (6) gehalten wird, die mit der Schürze (2) fest verbunden sind, und daß der axiale Abstand zwischen dem Einspritzdüsensystem (4) und dem Strömungsverdrängungskörper (5) das Zwei- bis Dreifache des Gehäusedurchmessers beträgt.
2. Dampfkühler nach Anspruch 1,
dadurch gekeinnzeichnet,
daß der Innendurchmesser der Schürze (2) gleich dem Innendurchmesser des in Strömungsrichtung des dampfes unmittelbar davor angeordneten Teils (11) des Gehäuses ist.
3. Dampfküler nach einem der Ansprüche 1 bis 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schürze (2) in ihren unteren Ende von einseitig an die Gehäusewand (1) oder die Schürze (2) geschweißten Abstandsnocken (12) gestützt wird.
4. Dampfkühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Übergang des gehäuses zur Schürze (2) durch ein ringförmiges Einschweißteil (3) mit h-förmigem Profilquerschnitt gebildet ist.
5. Dampfkühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Einspritzdüsensystem (4) zur Wassereinspritzung als Drall- Düsensystem ausgebildet ist.
6. Dampfkühler nach einem der Ansprüche 1-5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Strömungsverdrängungskörper (5) etwa kegelstumpfförmig mit gerundetem Kopf- und Fußteil geformt ist, wobei die Kegelspitze gegen die Strömungsrichtung zeigt.
EP89730073A 1988-03-17 1989-03-16 Dampfkühler Expired - Lifetime EP0337925B1 (de)

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DE3809678 1988-03-17

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EP0337925A1 EP0337925A1 (de) 1989-10-18
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