EP0558549B1

EP0558549B1 - Strahlverdichter für gasförmige medien

Info

Publication number: EP0558549B1
Application number: EP91920002A
Authority: EP
Inventors: Reiner Schulz
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: Vodafone GmbH
Priority date: 1990-11-23
Filing date: 1991-11-19
Publication date: 1995-03-15
Anticipated expiration: 2011-11-19
Also published as: DE4037935A1; ATE119976T1; DE59104974D1; AU8907991A; WO1992009808A1; JPH06502900A; EP0558549A1; US5374164A

Description

Die Erfindung betrifft einen Strahlverdichter für gasförmige Medien zum Einsatz in metallurgischen oder chemischen Verfahren mit einer zentrisch in einem Strahlerkopf angeordneten Treibdüse, die auf eine Mischkammer gerichtet ist, an die sich koaxial eine Druckdüse anschließt.
Strahlverdichter dieser Art werden insbesondere bei der Stahlentgasung in Hüttenwerken eingesetzt. Hier kommen im wesentlichen Dampfstrahlpumpen zum Einsatz. Da das bei der Stahlentgasung benötigte Vakuum nicht durch eine einzelne Strahlerstufe erreicht werden kann finden mehrstufige Strahler Verwendung.
In "die Vakuumbehandlung des flüssigen Stahles" von W. Coupette/R.A. Lang Verlag 1967, Seite 77, ist eine Dampfstrahlpumpe bekannt, die einen Strahlerkopf aufweist, in den eine Treibdüse hineinragt.
Weiterhin ist ein zumindestens bis zur Mischkammer vergleichsweise aufgebauter Strahlverdichter aus der Schritt DE-OS 30 05 653 bzw. DE-A-500 935 bekannt.
Bei Strahlverdichtern, wie sie aus den genannten Schritten bekannt sind wird Dampf als Treibmittel verwendet. Der Dampf wird der Dampfstrahlpumpe über die Treibmittelzuführleitung zugeleitet, an deren Ende sich eine Lavaldüse anschließt. Durch diese Düse wird die Enthalpie des Dampfes nahezu vollständig umgewandelt in kinetische Energie. Der Dampf trifft mit überschallgeschwindigkeit in den bereits erwähnten Mischungsraum ein und trifft dort auf das mit geringer Geschwindigkeit stromende, vom Dampf zu fordernde Medium. Aufgrund des Reibungseffektes in der langen Lavaldüse bildet sich an der Wand der Lavaldüse eine Grenzschicht aus, die besonders im Einsatzbereich geringer Dichten, entsprechend einem Ansaugdruck von etwa 1 mbar einen beträchtlichen Teil des Düsenquerschnitts einnimmt. Diese Grenzschicht stellt einerseits einen erheblichen Verlust dar, andererseits verzögert sie am Ausgang der Düse, also im Bereich der Mischzone, den turbulenten Mischungsprozeß. Dies führt wiederum zu einer Verlängerung der Mischkammer und damit zu weiteren Reibungsverlusten.
Aus der Schrift DE-OS 25 50 456 ist eine Diffusionspumpe bekannt, deren Düse ringspaltformige Ausstromöffnungen aufweist.
Bei der aus dieser Schrift bekannten Pumpe wird als Treibmedium Öldampf benutzt, dessen Stromungsrichtung um 180 Grad umgelenkt wird. Das an der Mündung der Treibmittelzuführleitung angeordnete Dach dient als Prallplatte.
Die Ringspaltdüsen der aus dieser Schrift bekannten Strahler sind weder in Form noch in ihrer Leistung für großtechnische metallurgische oder chemische verfahren geeignet.
Es ist das Ziel der Erfindung, die d. g. Nachteile zu vermeiden und einen Strahlverdichter der eingangs genannten Art zu schaffen, der bei konstruktiv einfacher Bauweise ein geringstmögliches Bauvolumen erfordert und bei betriebssicherer Arbeitsweise eine im Vergleich zu Strahlern gleicher Größenordnung höhere Wirkungsgrade bzw. Druckverhältnisse zu erzielen.
Die Erfindung erreicht dieses Ziel mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1.
Die Treibdüse des Strahlverdichters besteht aus einer Ringstrahldüse die einen Kegelförmigen, zur Mischkammer hin sich konisch verjüngenden Zentralkörper aufweist. Das aus der Düse ringförmig austretende kompressible Treibmedium hat aufgrund der Kurzen, innerhalb der Düse zurückgelegten Wegstrecke am Rand eine hohe Geschwindigkeit, was bei der nachfolgenden Mischung zu hohen Geschwindigkeitsgradienten und damit effektivem lmpulsaustausch in der turbulenten Scherschicht zwischen Treibdampf und Fördermedium führt.
Das Treibmedium tritt bei der erfindungsgemäßen Ringspaltdüse nicht ausschließlich als Freistrahl aus, sondern wird als Ring durch einen Zentralkörper in Form einer Tulpe geführt. Durch die nur kurze axiale Erstreckung der Tulpe kommt an der scharfen Tulpenmündung das Treibmedium früh mit dem zu fördernden Gas in Kontakt. Es bildet sich ein Geschwindigkeitsprofil aus, dessen Maximum nicht nur hoher ist, da die Reibungsverluste der sonst üblichen Lavaldüse entfallen, sondern auch infolge der Ringdüsengestaltung durch den Zentralkörper eine deutlich geringere Nachlaufdelle aufweist. Es wird eine intensive Mischung des Treiber- und Fördermediums erzielt. Als Folge hiervon kann die Mischkammer deutlich kürzer gebaut werden.
Dieser Vorteil wird noch ergänzt durch eine Konstruktiv einfachere und fertigungstechnisch kostengünstigere Herstellung des Strahlverdichters. Statt komplizierter Fertigung gerade in Bezug auf die konische Ausbildung der sonst üblichen (Laval-)Düse Konzentriert sich hier die Fertigungsproblematik auf die exakte Anpassung der Durchmesser von Tulpe und Zentralkörper. Für die komplette Form des Zentralkörpers selber sind diese hohen Genauigkeiten kostensparend nicnt erforderlich.
Um eine besonders intensive Mischung der Medienströme zu erreichen wird vorgeschlagen, die Kontur des Zentralkörpers konkav auszubilden. Die Kontur wird dabei aus der Optimierung eines zentrierten Expansionsfächers ermittelt, die bewirkt, daß das Treibermedium nach Verlassen des Ringspaltes nahezu parallel ausströmt. Diese Auslegung führt zu einer Ausgestaltung der Mündung, die eine zum Zentralkörper weisende Einengung aufweist. Dadurch wird das Auftreten von Verdichtungsstößen verhindert und die damit verbundenen verluste werden vermieden.
Ein Beispiel der Erfindung wird in der Zeicnnung dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1: einen Aufbau des Strahlverdichters.
Fig. 2: einen Schnitt der Ringspaltdüse.

Die Schemazeichnung der Figur 1 zeigt eine Vakuumstation V, die über eine Vakuumsaugleitung 23 mit dem Strahlerkopf 20 verbunden ist. In den Strahlerkopf ragt eine Tragmittelzuführleitung 11 einer Treibdüse 10, die einenends mit einer Treibmittelförderstation T verbunden ist.
An den einen Strahlerboden 22 und eine Strahlerwandung 21 aufweisenden Strahlerkopf 20 schließt sich eine Düse 30 an, die eine Mischkammer 31, eine Zwischendüse 32 und eine mit einer Druckleitung 34 verbundene Druckdüse 33 aufweist.
Die Mündung der Treibdüse 10 ist als Ringstrahldüse ausgebildet. Diese Ringstrahldüse weist einen kegelförmigen, zur Mischkammer 31 der Düse 30 hin sich konisch verjüngenden Zentralkörper 12 auf.
Die Figur 2 zeigt die Treibdüse 10 mit der Treibmittelzuführleitung 11 und den in der Mündung vorgesehenen Zentralkörper 12. Der Zentralkörper 12 ist von einem ringförmigen Teil in Form einer Tulpe umhüllt, die axial in die Treibmittelzuführleitung 11 angeschlossen ist. Zwischen der Tulpe 13 und dem fußseitigen Ende des Zentralkörpers 12 ist ein schmaler Ringspalt vorgesehen. Die Tulpe 13 ist an die Treibmittelzuführleitung 11 anschließbar und weist mündungsseitig eine Durchmesservergrößerung auf, wobei zwischen der sich in radialer Richtung erstreckenden Wandung der Tulpe 13 und dem fußseitigen Ende des Zentralkörpers 12 eine Ruhekammer 17 gebildet wird. Die axiale Erstreckung der Ruhekammer 17 wird durch Distanzhülsen 16 oder ein Distanzrohr 15 festgelegt, wobei der Zentralkörper 12 durch Zugschrauben an der Tulpe 13 befestigt ist. Am Boden des Zentralkörpers 12 ist eine Laterne 14 vorgesehen mit einem Durchmesser, bei dem sie (oberes Bild) in den Ruheraum 17 hineinragt oder (unterer Teil des Bildes) in den engeren Teil der Tulpe 13 einsteckbar ist. Der Innendurchmesser der letztgenannten Tulpenbauform entspricht dem Durchmesser des Leitungsrohres der Treibmittelzufuhr D_L.
Die Mündung der Tulpe 13 mit dem Innendurchmesser D_T, der um 1,005 bis 1,05 mal größer ist als der Außendurchmesser des Zentralkörpers D_Z, überragt im Mündungsbereich das Fußende des Zentralkörpers 12 um die Länge l.
Bei einer besonderen Ausgestaltung weist der fußseitige Bereich des Kegels des Zentralkörpers 12 eine scheibenförmige Erweiterung 19 auf. Diese Erweiterung 19 wird von der zur Hauptachse I sich neigenden Mündung der Tulpe 13 in der Weise umgriffen, daß ein radial nach innen weisender Ringspalt entsteht. Der Kegelwinkel ist in diesem Bereich größer als im übrigen Teil des Zentralkörpers 12.

Positionsliste

10: Treibdüse
11: Treibmittelzuführleitung
12: Zentralkörper
13: Tulpe
14: Laterne
15: Distanzrohr
16: Distanzhülse
17: Ruhekammer
18: Einengung der Tulpe
19: Erweiterung des Kegels
20: Strahlerkopf
21: Strahlerwandung
22: Strahlerboden
23: Vakuumsaugleitung
30: Düsen
31: Mischkammer
32: Zwischendüse
33: Druckdüse
34: Druckleitung
D_L: Durchmesser Leitungsrohr Treibmittelzufuhr
D_S: Innendurchmesser Strahlerwandung
D_T: Innendurchmesser Tulpe
D_Z: Außendurchmesser Zentralkörper
l: Länge des Mündungsbereich der Tulpe
V: Vakuumstation
T: Treibmittelförderstation
I: Hauptachse

Claims

Strahlverdichter für gasförmige Medien zum Einsatz in metallurgischen oder chemischen Verfahren mit einer Treibdüse die als Ringstrahldüse ausgebildet zentrisch in einem Strahlerkopf angeordnet ist, einen kegelförmigen, auf eine Mischkammer hin sich konisch verjüngenden Zentralkörper aufweist, wobei sich an die Mischkammer koaxial eine Druckdrüse anschließt,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kegel des Zentralkörpers (12) konkav ausgeformt ist, daß der Zentralkörper (12) im Bereich der Kegelgrundfläche von einem ringförmigen Teil in Form einer Tulpe (13) umhüllt ist und daß der überwiegende Teil des kegelförmigen Zentralkörpers (12) aus der Tulpe (13) herausragt.
Strahlverdichter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Länge (L) des Mündungsbereichs der Tulpe (13) dem 0,1 bis 0,2-fachen des Tulpendurchmessers (D_T) entspricht.
Strahlverdichter nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Mündung der Tulpe (13) eine zur Hauptachse (I) weisende, der Kontur des fußseitigen Bereichs des Kegels des Zentralkörpers (12) entsprechende Einengung (18) aufweist.
Strahlverdichter nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der fußseitige Bereich des Kegels des Zentralkörpers (12) eine scheibenförmige Erweiterung (19) aufweist, die die Einengung (18) der Tulpe (13) beabstandet hintergreift.
Strahlverdichter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Innendurchmesser (dT) der Tulpe (13) um das 1,005 bis 1,05-fache größer ist als der Außendurchmesser (dZ) des Zentralkörpers (12).
Strahlverdichter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Tulpe (13) zur Mischkammer (31) weisend im Vergleich zur Treibmittelzuführleitung (11) eine Durchmesservergrößerung von D_T/D_L = 2/1-5/1 aufweist.
Strahlverdichter nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß am Boden des Zentralkörpers (12) eine Laterne (14) vorgesehen ist, die einenends in die Treibmittelzuführung (11) einsteckbar ist.
Strahlverdichter nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Zentralkörper (12) in axialer Richtung an der Tulpe (13) oder der Treibmittelzuführleitung (11) lösbar befestigt und durch Distanzelemente (15) fixierbar ist.
Strahlverdichter nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß am Boden des Zentralkörpers (12) eine Laterne (14) vorgesehen ist, die im Bereich des sich erweiternden Teils der Tulpe (13) angeordnet ist.
Strahlverdichter nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Fläche der Strömungsfront in einer von dem Boden des Zentralkörpers (12) und der sich in radialer Richtung erstreckenden Wandung der Tulpe (13) gebildeten Ruhekammer (17) mindestens gleich oder größer ist als die Fläche der Strömungsfront in der Treibmittelzuführleitung (11).
Strahlverdichter nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Distanzmittel eine Hülse (16) ist, die zwischen dem Boden des Zenralkörpers (12) udn einem sich in radialer Richtung erstreckenden Bauteil der Tulpe (13) angeordnet ist.