Flüssigkeitsabscheider für die Trennung eines Dampf-Flüssigkeit-Gemisches
Die Erfindung bezieht sich auf einen Flüssigkeits- abscheider für die Trennung eines Dampf-Flüssig- keit-Gemisches, mit einer länglichen, vom Gemisch in Axialrichtung durchflossenen Wirbelkammer, Mit- teln in der Nähe der Einlassöffnung der Wirbelkammer, um dem Gemisch einen Drall zu geben, so dass sich im Innern der Wirbelkammer eine zentrale, schraubenlinienförmige Dampfströmung bildet, die von einer gleichgeformten Flüssigkeits-und Nebelströmung umgeben ist, und ferner mit einem die Wirbelkammer umgebenden, von dieser distanzierten Mantel, wobei beim oberen Ende der Wirbelkammer ein Überlauf vorhanden ist,
so dass die Flüssigkeit bw. der Nebel um 180 umgelenkt und zwischen der Wirbelkammer und dem Mantel nach abwärts abgeführt wird, und für die Dampfabfuhr ein oben in die Wirbelkammer hineinragendes Dampfabfuhrrohr vorhanden ist.
Solche Abscheider dienen dazu, Dampf von kochendem Wasser zu trennen. Dampf wird in weitem Umfang für industrielle Zwecke, für Heizung und für Antriebsaggregate, beispielsweise in Dampfturbinen und dergleichen, verwendet. In den meisten Fällen wird ein trockener Dampf benötigt, welcher möglichst frei von mitgerissener Flüssigkeit ist. Dies ist namentlich dann von Bedeutung, wenn mit dem Dampf eine Antriebsmaschine betrieben wird, da Wasser, wenn es sich in genügenden Mengen ansammelt, die Zylinder von Dampfmaschinen zerstören kann oder bei Dampfturbinen eine Erosion der Turbinenteile bewirkt und diese Maschinen vorzeitig unbrauchbar macht.
Bei konventionellen Dampferzeugern, welche durch Brennstoffe, wie beispielsweise Kohle, öl oder Gas beheizt werden, besteht üblicherweise kein nennenswerter Bedarf für Abscheider von geringen Abmessungen, welche grosse Dampfmengen von Wasser trennen. Derartige Abscheider haben gewöhnlich die Form eines Zylinders, welcher die Wasser-und Dampf-Mischung aufnimmt. Die Leistung solcher Zylinder zur Trennung von Flüssigkeit und Dampf kann wesentlich erhöht werden durch Einfügung eines Zentrifugalkraft-Abscheiders. Diesen Abscheidern wird das Dampf-Flüssigkeit-Gemisch durch eine Trommel zugeführt, wobei im oberen Bereich dieser Trommel der Dampf abgeführt und das abgeschiedene Wasser wieder in den unteren Bereich der Trommel gelenkt wird, zwecks Verdampfung.
Selbst bei Hochleistungs-Dampferzeugern bestand bisher kein grosser Anreiz, einen Abscheider zu entwickeln, welcher eine hohe Abscheidleistung aufweist, da es ohne weiteres möglich war, die Leistung durch eine grössere Trommellänge und Abscheiderzahl zu erhöhen. Ein derartiger Abscheider ist beispielsweise in der USA-Patentschrift Nr. 2 648 397 gezeigt.
Bei Atomkraftwerken, in welchen ein Reaktor die Dampferzeugung bewirkt und in welchen eine Kernreaktion stattfindet, wird die Wärme durch siedendes Wasser bzw. Dampf auf eine Antriebsmaschine über- tragen. Das Grundprinzip von Siedewasserreaktor ist an sich bekannt, beispielsweise durch folgende Publikation : Boiling Water Reactors by Andrew W. Kramer, Addison-Wesley Publishing Company, 1958 .
Diese Reaktoren funktionieren im Prinzip derart, dass eine Wärmequelle eine Mischung von siedendem Wasser und Dampf erzeugt, welche Komponenten voneinander getrennt werden müssen. Bei bekannten Reaktoren niedriger Leistungsdichte wurde der Dampf in der Weise abgetrennt, dass im Reaktor- kessel oberhalb des Kernes eine Flüssigkeitsschicht aufrechterhalten wurde, wie dies beispielsweise in folgender Veröffentlichung beschrieben wurde : Proceedings of the International Conference on the
Peaceful Uses of Atomic Energy, 1955, Volume 3,
Seite 56 ff und Seite 250 ff .
Die Durchsatzmenge an Dampf ist bei diesen Systemen jedoch beschränkt auf einen Wert, welcher dem Querschnitt der freien
Flüssigkeitsoberfläche multipliziert mit der maximalen Oberflächenablösungsgeschwindigkeit des Dampfes entspricht, welcher von der Oberfläche entfernt werden kann, ohne dass unverdampftes Wasser in grösserem Ausmass mitgerissen wird. Die Maximalgeschwindigkeit ändert sich dabei mit dem Druck und der Temperatur des Systemes und beträgt bei spielsweise bei 70 ata und 285 C etwa 30 cm pro
Sekunde. Bei solchen Abscheidern beträgt der Anteil an mitgerissenem Wasser etwa 6 Gew. %. Einem derartigen Dampf muss in einem Trockner noch
Flüssigkeit entzogen werden, bis dieser nur noch etwa 0,1 Gew. % an freier Flüssigkeit enthält, um einen sicheren Betrieb einer Dampfturbine zu erlauben.
Diese bei etwa 0,1 % liegende Grenze verläuft tiefer als bei den üblichen Verwendungszwecken für Dampf, um radioaktive Niederschläge in der Turbine zu begrenzen oder nach Möglichkeit zu verhindern. Hochleistungsreaktoren bedingen somit spezielle Abscheidereinrichtungen. So ist beispielsweise die 192-Megawattanlage des Heisswasserreaktors in Dresden Station bei Chicago mit einer Dampftrommel versehen, welche etwa 26 m oberhalb des Oberteiles des Reaktordruckkessels liegt. Die Trommel hat einen Durchmesser von etwa 2,4 m und eine Länge von etwa 20 m und enthält etwa 290 einzelne Dampf-Flüssig- keit-Abscheider. Der Reaktor erzeugt etwa 12 Millio- nen kg Wasser-Dampf-Mischung pro Stunde, welche über einen Verteiler den Abscheidern zugeführt wird.
Das abgeschiedene Wasser wird von der Trommel wieder dem Reaktor zugeführt, und zwar in einer Menge von etwa 11,2 Millionen kg pro Stunde. Diese Abscheider sowie Rückführung des Wassers verlangt einen grossen Aufwand an Rohren, Isolationen, Stützträgern usw., welcher zwar im vorliegenden Fall durch eine erhöhte Leistung des Systems gegenüber den konventionellen Siedewasserreaktoren gerechtfertigt ist.
Eine wesentliche Verringerung an Aufwand für solche Heisswasserreaktoren könnte dadurch herbeigeführt werden, dass ein Abscheider mit der gleichen Leistung von seiner erhöhten Lage entfernt und im Innern des Reaktordruckkessels angeordnet würde, wobei ein Reaktor mit einem Innendurchmesser von etwa 406 cm des Druckkessels mit dem besten er hältlichen Abscheider ausgerüstet würde, d. h. mit der höchsten Dampfabscheideleistung pro Volumeneinheit, was Axialfluss-Zentrifugal-Abscheider mit Siebtrocknern sind. Damit ist die elektrische Leistung durch die Abscheider auf einen Wert von etwa 200 Megawatt begrenzt. Dies ist jedoch nicht wesentlich grösser als die Leistung der erwähnten Dresden-Station, welche einen etwas grösseren Druckkessel aufweist.
Demzufolge bezieht sich die Erfindung auf einen Flüssigkeitsabscheider, welcher dadurch gekennzeich net ist, dass weitere Abfuhrorgane vorhanden sind, welche vom zentral angeordneten Dampfabfuhrrohr radial distanziert sind und einen Durchgang frei lassen, um Grenzschichten des Gemisches aufzu fangen, umzulenken und abzuführen.
Mit diesen Abscheidern ist es möglich gemacht, die elektrische Abgabeleistung von Dampfkraftanla gen wesentlich zu erhöhen, und zwar auf mindestens
300 Megawatt (elektrisch). Im weiteren ist es mit solchen Abscheidern möglich, Wasser und Dampf voneinander zu trennen, bei einem Dampfanteil von etwa 5-25 %, wobei die Trennung dieser Mischung sehr wirksam und mit erhöhter Geschwindigkeit erfolgt.
In der Zeichnung ist eine an sich bekannte Ausführungsform und Ausführungsbeispiele des Erfin dungsgegenstandes dargestellt. Es zeigen :
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen an sich bekannten Abscheider, um Dampf von Flüssigkeit zu trennen.
Fig. 2 ist eine Draufsicht auf den Abscheider, gemäss Fig. 1.
Fig. 3 ist ein Querschnitt durch den Abscheider gemäss den Fig. 1 und 2 nach der Linie 3-3 in Fig. 1.
Fig. 4 ist ein Längsschnitt durch einen Abscheider gemäss der Erfindung samt Trockner.
Fig. 5 ist ein Querschnitt nach der Linie 5-5 in Fig. 4.
Fig. 6 ist eine perspektivische Darstellung, teilweise im Schnitt durch die Wirbelkammer, gemäss den Fig. 4 und 5.
Fig. 7 ist eine graphische Darstellung bezüglich des Spaltverhältnisses.
Der zum Stande der Technik gehörende Abscheider für die Trennung von Dampf von unverdampfter Flüssigkeit gemäss den Fig. 1-3 weist einen Abscheiderteil 10 sowie einen Trocknerteil 14 auf. Der Abscheider 10 ist unten mit einem Einlasskonus 16 versehen, welcher eine Einlassöffnung 12 besitzt und gegen oben in eine Wirbelkammer 18 einmündet. Im unteren Teil dieser Wirbelkammer 18 befinden sich eine Mehrzahl von Schaufeln oder Flügeln 20, welche bewirken, dass einem Gemisch von Wasser und Dampf, welches in Axialrichtung von unten nach oben durch die Einrichtung hindurchfliesst, eine Rotations-und Wirbelbewegung erteilt wird.
Durch diese Flügel wird auf die durchgeführte Mischung eine Fliehkraftwirkung ausgeübt, welche bewirkt, dass die schwereren Bestandteile der Mischung, also das Wasser und der Nebel, an die Aussenwände gedrängt und die leichten Bestandteile, also der Dampf, sich in der Umgebung der Längsachse befindet. Die Flüssigkeit bzw. der Flüssigkeitsnebel strömt dann auf einer Schraubenlinie nach oben und wird über eine Uberlaufkante 22 abgeführt. Die ungefähre Begrenzunglinie zwischen Flüssigkeit und Dampf ist dabei mit 24 bezeichnet.
Am oberen Ende der Wirbelkammer ragt ein Rohrstück 26 in diese hinein, wobei eine obere Deckplatte 28 vorhanden ist, welche den Ringraum zwischen diesem Rohrstück 26 und dem Aussen- mantel 30 abschliesst. Zwischen der Wirbelkammerwand und dem Aussenmantel 30 wird somit eine Ringkammer 32 gebildet, die eine sich nach unten öffnende Auslassöffnung 34 aufweist. Das Wasser bzw. der stark wasserhaltige Nebel wird somit umgelenkt und fliesst über die Auslassöffnung 34 ab.
Das Rohrstück 26 mündet oben in einem Trockner 14. In Fig. 2 ist eine Ansicht des Trockners gezeigt, welcher oben auf der Wirbelkammer 18 aufgesetzt ist. Dieser Trockner weist eine Mehrzahl von zuein- ander parallel verlaufender, gewellter Platten 40 auf, die voneinander distanziert sind und in ihrer gegenseitigen Lage durch Distanzstücke 42 festgehalten sind und von Spannschrauben 44 starr gehalten werden.
In Fig. 3 ist ein Querschnitt durch die Einrich- tung gemäss Fig. 1 gezeigt, wobei die konzentrische Anordnung zwischen dem Aussenmantel 30 und der Wand der Wirbelkammer 18 ersichtlich ist. Die Flügel 20 sind durch eine Nabe 50 gehalten, so dass mehrere Durchgänge entstehen. Der Anstellwinkel dieser Flügel wird so gewählt, dass ein gewünschter Durchfluss und eine entsprechende Leistung des Apparates erreicht wird.
In Fig. 4 ist ein Längsschnitt durch den erfin dungsgemässen Apparat gezeigt. Dieser Apparat weist einen Abscheiderteil 70 sowie einen Trocknerteil 72 auf. Der Abscheiderteil enthält eine Wirbelkammer 74 mit einem Eintrittskonus 76, welcher unten mit einer Einlassöffnung 78 in Verbindung steht. Im Unterteil der Wirbelkammer 74 befinden sich eine Mehrzahl von Schaufeln oder Flügeln 80, welche von einer zentralen Nabe 82 in etwa radialer Richtung abragen. Die Durchgänge zwischen den Flügeln oder Schaufeln dienen dazu, dem Wasser-und-Dampf Gemisch einen Drall zu erteilen. Die Form der Nabe ist so ausgebildet, dass ihr Kegelwinkel grösser ist als der Winkel des Eintrittskonus 76, so dass sich also eine Verringerung der freien Querschnittsfläche mit zunehmendem Abstand von der Einlassöffnung 78 im Bereiche der Flügel 80 ergibt.
In diesem Bereich wird also die Geschwindigkeit der durchgeleiteten Wasser-und-Dampf-Mischung wesentlich erhöht, beispielsweise erreicht die Geschwindigkeit etwa 35 Meter pro Sekunde. Die ungefähre Trennlinie zwischen dem mehr mit Wasser und dem mehr mit Dampf oder Nebel angereicherten Teil der Mischung ist mit 84 bezeichnet.
Ein erstes Rohr 86 ragt von oben in die Wirbelkammer 74 hinein, wobei ein ringförmiger Zwischenraum zur Wirbelkammer 74 gebildet wird. Eine ringförmige erste Deckplatte 90 ist an diesem Rohr 86 befestigt und ragt von diesem ausgehend nach aussen, wobei der Aussenrand dieser Deckplatte mit dem Mantel 92 verbunden ist. Dieser Mantel 92 ist von der Wirbelkammerwand distanziert angeordnet, so dass sich ein ringförmiger Zwischenraum 94 zwischen diesen beiden Wänden bildet. Die Wand der Wirbelkammer 74 ragt dabei nicht ganz bis zur Deckplatte, so dass eine Überlaufkante für die Abführung des Wassers entsteht. Im Zwischenraum 94 befinden sich eine Mehrzahl von Umlenkblechen 95, deren Zweck darin besteht, die Drehbewegung des abfliessenden Wassers zu bremsen.
Innerhalb des Rohres 86 befindet sich ein weiteres, bezüglich des Rohres 86 koaxial angeordnetes etwas längeres Rohr 98, wobei zwischen diesen ein ringförmiger freier Zwischenraum 100 verbleibt. Dieses Rohr 98 wird oben durch eine zweite Deckplatte 102 abgeschlossen, wobei die Rohrstirnseite mit der Deckplatte und diese mit dem Aussenzylinder 104 verbunden ist. Diese beiden Platten 102 und 90 liegen parallel zueinander und lassen einen Zwischenraum frei. Der Zwischenraum 100 mündet somit in einen Zwischenraum 106 ein, welcher unten eine ringförmige Auslassöffnung 108 bildet, die ihrerseits von einer ringförmigen, flüssigkeitsdurchlässigen Manschette 110 umgeben ist. Durch diese tritt die Flüssigkeit langsam hindurch, um eine Störung oder Beunruhigung des Flüssigkeitsniveaus 112 zu vermeiden.
Im Betrieb fliesst nun der Dampf durch das Aus lassrohr 98 in den Trocknerteil 72. Die Flüssigkeit hingegen gelangt in den Bereich des Überlaufs 88, wobei sie etwa in Richtung der eingezeichneten Pfeile fliesst und schliesslich in den Zwischenraum 94 gelangt, worauf sie gegen die Auslassöffnung 96 gemäss den eingezeichneten Pfeilen strömt. Es erfolgt somit eine Umlenkung dieser Flüssigkeit um 180 . Durch die Umlenkbleche 95 wird die Drall-Bewegung des Wassers gebremst und dieses beruhigt.
Bei Untersuchungen von Einrichtungen gemäss Fig. 1 hat es sich gezeigt, dass der Wasseranteil des Dampfes ein relativ hohes Mass erreicht. Es wurde vermutet, dass dies von der Reibung herrührt, welche an der Deckplatte 28 erzeugt wurde. Wirbel bewirken, dass Wasser im erhöhten Masse mitgerissen wurde, wodurch ein hoher Feuchtigkeitsgehalt des Dampfes entstand.
Beim Abscheider gemäss den Fig. 4 und 5 dienen die zwei ringförmigen Wasserablaufmittel dazu, diese Grenzschichten zu sammeln und abzuführen, um eine wirksamere Trennung des Dampfes zu erreichen.
Diesem Zwecke dient das Rohr 98, die obere Kopf- platte 102 und der Aussenzylinder 104. Die Grenzschichten werden dadurch gesammelt, um 180 umgelenkt und aussen um den Mantel 92 geführt, wobei verhütet wird, dass die über dem Überlauf abfliessende Flüssigkeit wieder in den Abscheider eintreten kann.
Diese Grenzschichten werden nach abwärts und auswärts zwischen dem Mantel 92 und dem Aussen- zylinder 104 über die Auslassöffnung 108 abgeführt.
In der Manschette 110 wird die kinetische Energie dieser Strömungen im wesentlichen vernichtet.
Auf diese Weise wird gleichzeitig der Wassergehalt des Dampfes, welcher oberhalb des Flüssig- keitsniveaus 112 liegt und der Dampfgehalt in der Flüssigkeit 114 verringert. Dadurch hat der Dampf, welcher in den Trockner gelangt, selbst bei hohen Durchflussgeschwindigkeiten einen vergleichsweise niedrigen Feuchtigkeitsgehalt.
Die verwendeten Schaufeln oder Flügel sind an sich bekannt, beispielsweise aus folgender Literaturstelle Centrifugal and Axial Flow Pumps bei A. J. Stipanoff, John Wiley and Son 1948, Seiten 16 und 14J bis 154 ; Report Nr, 1602 of Oak Ridge National Laboratory by J. A. Hafford describing.
Solche Schaufeln erzeugen einen freien Wirbelstrom in der Wirbelkammer 74 mit einem höchsten volumetrischen Eingang in derselben.
Der Nachtrockner 72 weist ein Gehäuse 120 auf, welches als Fortsetzung zum Aussenzylinder 104 ausgebildeL ist. Ferner ist ein ringförmiger Trocknungsmantel 122 sowie ein perforierter, innerer Konus 124 vorhanden, welcher mit Öffnungen 126 und einem Trichterteil 128 versehen ist. Dieser Trichterteil 128 hat unten ein zentrales Auslassrohr I30. Das untere Ende des Trocknungsmantels 120 ist mit einer Mehrzahl von Öffnungen 132 versehen, welche knapp oberhalb der Deckplatte 102 liegen.
Ein Ring 136 mit dreieckförmigem Querschnitt liegt oberhalb des Rohres 98 und bildet die Verbindung mit dem Trockner 72. Dieser Ring bildet mit seiner innern Schrägfläche 138 die untere Einlassfläche für den Nachtrockner. Die obere Einlassfläche wird durch die äussere Konusfläche des Trichters 128 gebildet.
Diese Flächen liegen angenähert parallel zueinander und bilden einen Durchgang, dessen kleinste Quer schnittsfläche mindestens gleich der Querschnittsfläche des Auslassrohres 98 ist, welche Querschnittsfläche mit zunehmender Distanz von der ringförmigen Passage zunimmt. Die vertikale Fläche 140 des Ringes 136 wirkt als Damm, welcher verhütet, dass Flüssigkeit 142, welche sich im Sieb 144 ansammelt, erneut in den Trockner gelangen kann. Dieses Sieb 144 hat eine zylindrische Form und ist auf der Innenseite des Gehäuses 120 angeordnet, Ein weiteres Sieb 146 befindet sich auf der Innenseite des Konus 124.
Der Dampf, welcher vom Abscheiderteil 70 in den Trockner 72 über das Auslassrohr 98 eintritt, strömt zwischen dem Trichter 128 und dem Ring 136 in den Hohlraum zwischen dem perforierten Konus 124 und dem Trocknungssieb 144. Der in der Wirbelkammer erzeugte Drall bewirkt, dass die Flüssigkeitstropfen, welche mitgerissen werden, in das Trocknungssieb gelangen. In diesem Sieb wird ein Teil der kinetischen Energie des Wirbelstromes aufgenommen, so dass sich die Drallgeschwindigkeit verringert und ein wesentlicher Anteil der mitgerissenen Flüssigkeitstropfen abgeschieden wird. Diese niedergeschlagenen Flüssigkeitstropfen werden auf der Sieboberfläche gesammelt und tropfen infolge ihrer Schwerkraft nach unten, unter Bildung der Flüssigkeitsschicht 142.
Diese Flüssigkeit fliesst durch die Öffnungen 132 am Trocknungsmantel 120 in die Flüssigkeit 114.
Der Dampf strömt nun mit einer reduzierten Drehgeschwindigkeit und mit einem verminderten Feuchtigkeitsgehalt aufwärts nach innen durch die Öffnungen 126 im Konus 124 und hernach durch das innere Sieb 146. Da der Dampf durch mehrere Siebe hindurchtreten muss, wird seine Drehgeschwindigkeit nahezu vernichtet und ausserdem wird sein Feuchtigkeitsgehalt nochmals in ähnlicher Weise vermindert, wie dies beim Sieb 144 der Fall ist. Die totale Fläche der Öffnungen 126 im inneren Konus 124 ist mindestens gleich, vorzugsweise jedoch grösser als die minimale Fläche für den Durchfluss zwischen dem Ring 136 und dem Trichter 128.
Die Flüssig- keit, welche sich im innern Sieb 146 ansammelt, tropft infolge der Schwerkraft nach unten in den Trichter 128, von welchem die Tropfen durch das zentrale Ablaufröhrchen 130 in die Wirbelkammer 74 gelangen. Hier werden sie erneut vom Drall des Gemisches mitgerissen, sobald sie aus der Längsachse der Wirbelkammer herausgelangen und nach aussen geschleudert, wobei sie erneut vom Dampf getrennt werden und in den wasserhaltigen Strom gelangen.
Der getrocknete Dampf verlässt den Trockner durch die obere Öffnung 148, deren Querschnitt mindestens gleich der totalen Fläche der Öffnung 126 im oberen Konus 124 ist. Der Feuchtigkeitsgehalt ist etwa 6 Gewichts-Prozent oder weniger bei der grössten Durchsatzmenge.
Fig. 5 ist ein Querschnitt durch den Abscheider gemäss der Erfindung und zeigt die koaxiale Anordnung der verschiedenen beschriebenen Elemente, wobei die Darstellung ein Schnitt nach der Linie 5-5 in Fig. 4 ist. Das innerste Rohr ist das Auslassrohr 98 für den Dampf ; hierauf folgt ein Zwischenraum 100, anschliessend das Rohr 86 und hierauf die Öffnung 88, die Wirbelkammer 74 und der Ringkanal 94 und schliesslich der Mantel 92, welcher von der Deckplatte 102 umgeben ist und hierauf der Aussenzylinder 104. Im Ringkanal 94 sind 12 Um lenkflügel oder Schaufeln 95 vorhanden, welche zueinander je um 30 versetzt angeordnet sind.
Aus Fig. 6 geht u. a. die Form der Flügel hervor, welche an der Nabe 82 befestigt sind. Die Umlenkflügel 80 haben gegenüber denjenigen in Fig. 4 eine leicht geänderte Form. Dies wurde deshalb vorgenommen, um den Eintrittskonus 76 zu vermeiden und die Flügel mit ihrer Nabe 82 im untersten Teil der Wirbelkammer anzuordnen. Zwischen der Wirbelkammer 74 und dem Mantel 92 befinden sich oben eine Mehrzahl von Umlenkflügeln 95, die in ihrem oberen Teil in der Drallrichtung des Wassers gebogen sind, welches über die Überlaufkante fliesst.
Dieser Winkel liegt üblicherweise etwa zwischen 5 und 15 , bezogen auf die Horizontale und gemessen an der Flügelwurzel. Das untere Ende der Flügel liegt parallel zur Längsaxe der Wirbelkammer.
In Fig. 6 ist der untere Teil der Wirbelkammer weggeschnitten gezeichnet, um deren Inneres zu zeigen. Die Flügel 80 sind an ihren unteren Teilen so geformt, dass sie sich parallel zur Längsachse der Wirbelkammer erstrecken und ihre oberen Teile sind gebogen, und zwar entgegengesetzt zu den Umlenk flügeln 95, um die Flüssigkeit zwischen den Schaufeln hindurchzuleiten und eine schraubenlinienförmige Bewegung der Mischung im Innern der Wirbelkammer zu erzeugen. Der Winkel dieser Flügel beträgt an der Wurzel gemessen 30-40 , bezogen auf die Horizontale.
Die nachfolgenden Beispiele zeigen den Aufbau und die Wirkungsweise des erfindungsgemässen Abscheiders mit Trockner im Vergleich zu den an sich bekannten Abscheidern.
Beispiel 1
Ein an sich bekannter Dampfabscheider gemäss Fig. 1 hat folgende angenäherte Dimensionen :
Tabelle 1 Wirbelkammer-Rohr 18
Durchmesser.... 21,5 cm Länge....... 35,5 cm Dampfauslassrohr 26 Durchmesser..... 13,5 cm Länge....... 6, 9 cm Deckplatte 28
Aussendurchmesser.. 30,5 cm Aussenmantel 30 Länge....... 38,1 cm Flügel 20 Anzahl..... 4
Art........ schraubenförmig
Anstellwinkel zur Horizontalen 40 Einlassrohr 16 Einlassdurchmesser... 15,2 cm Trockner 14
Typ........
Wellplatten
Breite....... 43,2 cm Länge...... 43,2 cm Höhe........ 10,2 cm
Beispiel II
Der Abscheider mit Trockner gemäss dem Beispiel I (Fig. 1-3) wurde mit einer Dampf-Wasser Mischung von 9,66% bei einem Druck von 70 ata und einer Temperatur von 285 C geprüft, um seine Wirksamkeit zur Trennung des Wasser-und Dampfgemisches bei unterschiedlichen Durchsatzmengen festzustellen. Die grösste Abscheidungsleistung wurde bei 533 m3 Wasser-und-Dampf-Mischung pro Stunde festgestellt, was einem Dampfgehalt von 13400kg pro Stunde beim Eintritt entsprach. Bei diesem Maximaldurchfluss entstand ein Dampf mit einem Feuchtigkeitsgehalt von etwa 6 %.
Beispiel 111
Ein Abscheider im wesentlichen gemäss Beispiel I, jedoch in der Ausführung gemäss der vorliegenden Erfindung hat folgende Abmessung :
Tabelle II
Wirbelkammer 74
Durchmesser 21,5 cm
Länge... 61,0 cm Dampfauslass-Rohr 98
Durchmesser.. 13,5 cm
Länge... 7,6 cm
Kopfpla, tte 102
Aussendurchmesser 34,2 cm
Oberes Mantelrohr 104 Länge..... 64,7 cm
Inneres Rohr 86
Durchmesser... 16,9 cm
Länge... 3,8 cm Deckplatte 90
Aussendurchmesser.... 30, 5 cm Aussenmantel 92 Länge........ 63,5 cm Flügel 28 Art...... freie Verwirbelung Anzahl...... 8
Winkel bezogen auf Horizontale
Einlassende...
90
Auslassende 27 Umlenkflügel
Art...... freie Verwirbelung Anzahl.... 12 Teilung
Winkel bezogen auf Horizontale 30
Einlass..... 15
Auslass........ 90
Trockner 72 Art..... Zentrifugal Äusseres Sieb 144
Innendurchmesser.... 11,25
Höhe 17,8 cm
Dicke..... 2,54 cm
Inneres Sieb 146 Deckel 29, 1 cm
Boden..... 14,2 cm
Dicke...... 2,54 cm Beispiel IV
Der Dampftrockner wurde bei 70 ata und 285 C mit einer 9, 66-prozentigen Dampf-Wasser-Mischung gemäss Beispiel geprüft.
Es wurde festgestellt, dass die Maximalleistung bei einem Feuchtigkeitsgehalt von 6% etwa bei 99 m3 Mischung pro Stunde erreicht wurde. Dies entspricht einem Dampfanteil von 24000kg pro Stunde am Einlass und ist eine Er höhung von 90% über die Leistung des Abscheiders gemäss Beispiel I.
Es wurde somit festgestellt, dass die Axialdistanz bzw. der Spalt zwischen dem Uberlauf der Wirbelkammer 74 und der unteren Fläche der Deckplatte 90 einen kritischen Einfluss auf die Wirkungsweise dieses Abscheiders hat. Die Einrichtung war so ausgebildet, dass dieser Spalt verändert werden konnte.
Das Resultat dieser Veränderung und die damit zusammenhängende Leistung des Abscheiders ist in Fig. 7 graphisch dargestellt.
In dieser Figur bedeutet : A = Durchsatz im Vergleich zur Maximaldurch satzmenge, B = Feuchtigkeitsgehalt des Dampfes (in Gewichts prozenten), C = Spalthöhe in Einheiten, D = Überlappung des Rohres 86 in Prozenten der Spalthöhe.
In dieser Fig. 7 sind die Gewichtsprozente an Feuchtigkeit, welche vom Dampf gemäss dem Beispiel III mitgerissen werden, graphisch dargestellt, in Abhängigkeit des Axialspaltes am obern Ende der Wirbelkammer und in Abhängigkeit der Distanz des Rohres 86, welches in die Wirbelkammer hineinragt, bzw. der Überlappung derselben, ausgedrückt in Prozenten des Axialspaltes, wobei verschiedene Durchsatzmengen als Parameter aufgetragen wurden.
Der Axialspalt stieg dabei von etwa 0,65 Einheiten (entsprechend 1,65 cm) auf etwa 1,25 Einheiten (entsprechend 3,17 cm) an und als die tuber- lappung von 150 auf 25 % des Spaltes verringert wurde, entstand ein kritischer Effekt bezüglich des Feuchtigkeitsgehaltes des abströmenden Dampfes. Bei jeder Einlassmenge pro Zeiteinheit verringerte sich der Flüssigkeitsanteil auf ein Minimum und stieg hierauf wieder an, wenn der Spalt und die tuber- lappungswerte variiert wurden.
Bei einer Annahme von 6% Feuchtigkeitsgehalt des abströmenden Dampfes ergibt sich, dass das Beispiel III des Abscheiders und Trockners gemäss der Erfindung eine Maximalleistung von etwa 99 m3 pro Stunde bei einem Axialspalt von etwa 2,54 cm aufweist. Bei dieser Ausführung enthält das abgetrennte Wasser etwa 0,2 Gew. % an Dampf. Diese Leistung ist 180 % derjenigen der an sich bekannten Abscheider gemäss den Beispielen 1 und II bzw. den Fig. 1 bis 3.
Die nachfolgenden Beispiele zeigen die Verände- rungen der maximalen Durchflussrate (begrenzt durch die Dampfabscheideleistung) des Siedewasserreaktors, welcher mit 70 ata 285 C arbeitet und den grössten Kern aufweist, welcher in einem Druckkessel von 406 cm Innendurchmesser placier werden kann.
Beispiel V
Ein Siedewasser-Reaktor mit einer Leistung von 1100 Megawatt (thermisch) weist 276 Brennerstäbe von etwa 3 m Länge und einem Querschnitt von etwa 18 18 cm auf. Diese bestehen aus einer Zirkaloy -Umhüllung U02 mit einem Gehalt von etwa 2,1 Uran U23 . Diese Stäbe sind in einem Viereck von 10 X 10 Stück angeordnet und gegenseitig etwa 1,65 cm distanziert. Der Umfassungskreis dieses Kernes hat einen Durchmesser von etwa 343 cm. Die durchschnittliche Wärmeerzeugung beträgt etwa 1,15 Millionen kcal/m3 (128 000 BTU/h ft2) mit Spitzenleistungen von etwa 5 Millionen kcal/m3 (474 000 BTU/h ft2).
Wenn dieser Reaktor ohne speziellen Dampftrockner im Reaktorkessel verwendet wird und nur von der freien Ablösung des Dampfes von der siedenden Flüssigkeitsober- fläche Gebrauch gemacht wird, entsteht ein Dampf mit nicht mehr als 6 % Feuchtigkeitsgehalt, wobei die Dampfabscheidung die maximale Wärmeabgabe -mit welcher der Reaktor betrieben werden kannauf etwa 270 Megawatt (thermisch) begrenzt. Dies reicht aus, um eine Turbine mit Generator anzutreiben, welche etwa 87 Megawatt (elektrisch) abgibt.
Beispiel VI
Falls der Siedewasser-Reaktor gemäss Beispiel V mit 85 Flüssigkeitsabscheidern gemäss den Fig. 1-3 und den Beispielen I und II ausgerüstet ist, dann ist dies die Höchstzahl dieser Abscheider, welche in einem Kessel von 406 cm Durchmesser untergebracht werden kann. Dadurch wird die Dampf-Abscheide Leistung auf 610 Megawatt (thermisch) beschränkt.
Die entsprechende elektrische Abgabeleistung ist 197 Megawatt, was einer Verbesserung von 126 % gegenüber dem Beispiel V entspricht.
Beispiel VII
Wenn der Siedewasser-Reaktor gemäss Beispiel V mit 85 verbesserten Abscheidern und Trocknern gemäss der Erfindung versehen wird, entsprechend Fig. 4-6 und Beispiel III und IV, lässt sich eine Steigerung der Abscheideleistung auf 1100 Megawatt (thermisch) erreichen. Dies entspricht einer Abgabe von 356 Megawatt an elektrischer Energie und bedeutet eine Verbesserung von 310% gegenüber dem Beispiel V und von 80% gegenüber Beispiel VI.
Hieraus ist ersichtlich, dass sich durch diesen Flüssigkeitsabscheider gemäss der Erfindung zusammen mit dem Trockner eine wesentliche Verbesserung erreichen lässt, wobei eine sehr grosse Erhöhung der maximalen elektrischen Abgabeleistung bei Siedewasser-Reaktoren möglich ist.
Im erfindungsgemässen Abscheider tragen Zentrifugaltrockner, die zwei ringförmigen Abflussrohre, die kritischen Dimensionen des Spaltes zwischen der Deckplatte und der Überlaufkante der Wirbelkammer und das Mass, mit welchem die Rohre in die Wirbelkammer hineinragen, je dazu bei, den ge wünschten vorteilhaften Effekt zu erhalten. Die Länge des Rohres 86 liegt etwa zwischen 2 und 20 % der Länge der Wirbelkammer, vorzugsweise zwischen 5 und lOso dieser Länge. Sie ist ferner etwa 20-50 sÓ des Radius der Wirbelkammer. Der Betrag, um welchen dieses Rohr in die Wirbelkammer hineinragt und die Spaltgrösse haben einen wesentlichen Einfluss auf die Leistung des Abscheiders, namentlich bei der maximalen Durchflussmenge.
Diese Dimensionen sind weitgehend bestimmend für den Anteil an mitgeführter Flüssigkeit. So ist beispielsweise der Feuchtigkeitsgehalt kleiner als 6 % bei einer 80 prozentigen Durchsatzmenge und bei einem Druck von 70 ata bei einer axialen Spaltgrösse, welche zwischen 20 und 35 % über derjenigen Spaltgrösse liegt, welche den geringsten Feuchtigkeitsgehalt ergibt. Bei geringeren Durchsatzmengen ist die Variation grösser. Bei maximaler Leistung ist jedoch die zulässige Variation 10% des axialen Spaltes, welcher den geringsten Feuchtigkeitsgehalt des Dampfes ergibt.
Die Überschneidung, d. h. das Mass, mit welchem das Rohr in die Wirbelkammer hineinragt, ausgedrückt in Prozenten der Spalthöhe, ist bei geringerer Durchsatzmenge weniger kritisch als bei höheren Durchsatzmengen. Diese Prozentwerte erstrecken sich von etwa 15-90%, bei einer Durchsatzmenge von 80 %. Bei der maximalen Durchsatzmenge reduziert sich dieser Wert jedoch auf 35-65 %.
Statt für Wasser liessen sich diese Abscheider auch zum Trennen der Dämpfe anderer Flüssigkeiten verwenden.
Liquid separator for the separation of a vapor-liquid mixture
The invention relates to a liquid separator for separating a vapor-liquid mixture, with an elongated vortex chamber through which the mixture flows in the axial direction, in the vicinity of the inlet opening of the vortex chamber, in order to give the mixture a swirl so that a central, helical vapor flow is formed inside the vortex chamber, which is surrounded by a uniformly shaped flow of liquid and mist, and furthermore with a jacket surrounding the vortex chamber and at a distance from it, with an overflow at the upper end of the vortex chamber,
so that the liquid bw. the mist is deflected by 180 and discharged downwards between the vortex chamber and the jacket, and there is a steam discharge pipe projecting into the vortex chamber at the top for steam discharge.
Such separators are used to separate steam from boiling water. Steam is widely used for industrial purposes, for heating and for power plants, for example in steam turbines and the like. In most cases, a dry vapor is required, which is as free as possible of entrained liquid. This is particularly important when a prime mover is operated with the steam, since water, if it accumulates in sufficient quantities, can destroy the cylinders of steam engines or erosion of the turbine parts in steam turbines and make these machines unusable prematurely.
With conventional steam generators, which are heated by fuels such as coal, oil or gas, there is usually no significant need for separators of small dimensions which separate large amounts of steam from water. Such separators are usually in the form of a cylinder which receives the water and steam mixture. The performance of such cylinders for separating liquid and vapor can be increased significantly by adding a centrifugal force separator. The vapor-liquid mixture is fed to these separators through a drum, the steam being discharged in the upper area of this drum and the separated water being directed back into the lower area of the drum for the purpose of evaporation.
Even in the case of high-performance steam generators, there has been no great incentive to develop a separator with a high separation capacity, since it was easily possible to increase the capacity by using a larger drum length and number of separators. Such a separator is shown, for example, in U.S. Patent No. 2,648,397.
In nuclear power plants, in which a reactor produces the steam and in which a nuclear reaction takes place, the heat is transferred to a prime mover by boiling water or steam. The basic principle of boiling water reactors is known per se, for example from the following publication: Boiling Water Reactors by Andrew W. Kramer, Addison-Wesley Publishing Company, 1958.
These reactors work in principle in such a way that a heat source creates a mixture of boiling water and steam, which components have to be separated from each other. In known reactors of low power density, the steam was separated in such a way that a layer of liquid was maintained in the reactor vessel above the core, as described, for example, in the following publication: Proceedings of the International Conference on the
Peaceful Uses of Atomic Energy, 1955, Volume 3,
Page 56 ff and page 250 ff.
The throughput of steam in these systems is limited to a value which corresponds to the cross section of the free
The surface of the liquid multiplied by the maximum surface speed of the vapor that can be removed from the surface without undevaporated water being entrained to a large extent. The maximum speed changes with the pressure and temperature of the system and is about 30 cm per example at 70 ata and 285 C
Second. In such separators, the proportion of water entrained is about 6% by weight. Such steam must still be in a dryer
Liquid are withdrawn until it only contains about 0.1% by weight of free liquid in order to allow safe operation of a steam turbine.
This limit, which is around 0.1%, is lower than for the usual uses for steam in order to limit or, if possible, prevent radioactive precipitation in the turbine. High-performance reactors therefore require special separator devices. For example, the 192 megawatt system of the hot water reactor in Dresden Station near Chicago is equipped with a steam drum, which is about 26 m above the top of the reactor pressure vessel. The drum has a diameter of about 2.4 m and a length of about 20 m and contains about 290 individual vapor-liquid separators. The reactor generates around 12 million kg of water-steam mixture per hour, which is fed to the separators via a distributor.
The separated water is returned to the reactor from the drum, in an amount of about 11.2 million kg per hour. These separators and the return of the water require a great deal of effort in terms of pipes, insulation, support beams, etc., which in the present case is justified by the increased performance of the system compared to conventional boiling water reactors.
A significant reduction in the cost of such hot water reactors could be brought about by removing a separator with the same capacity from its elevated position and placing it inside the reactor pressure vessel, with a reactor with an internal diameter of about 406 cm of the pressure vessel being the best available Separator would be equipped, d. H. with the highest vapor separation efficiency per unit volume, what axial flow centrifugal separators with screen dryers are. This means that the electrical output through the separator is limited to a value of around 200 megawatts. However, this is not significantly greater than the performance of the Dresden station mentioned, which has a somewhat larger pressure vessel.
Accordingly, the invention relates to a liquid separator, which is characterized in that further discharge elements are present, which are radially distanced from the centrally arranged vapor discharge pipe and leave a passage free in order to catch, deflect and discharge boundary layers of the mixture.
With these separators, it is made possible to increase the electrical output of steam power plants significantly, to at least
300 megawatts (electrical). Furthermore, with such separators it is possible to separate water and steam from one another, with a steam content of about 5-25%, the separation of this mixture taking place very effectively and at increased speed.
In the drawing, a known embodiment and exemplary embodiments of the invention is shown. Show it :
1 shows a longitudinal section through a known separator for separating vapor from liquid.
FIG. 2 is a top view of the separator according to FIG. 1.
3 is a cross section through the separator according to FIGS. 1 and 2 along the line 3-3 in FIG. 1.
4 is a longitudinal section through a separator according to the invention including the dryer.
FIG. 5 is a cross section taken on line 5-5 in FIG. 4.
6 is a perspective illustration, partially in section through the vortex chamber, according to FIGS. 4 and 5.
Fig. 7 is a graph showing the gap ratio.
The separator belonging to the state of the art for separating vapor from non-evaporated liquid according to FIGS. 1-3 has a separator part 10 and a dryer part 14. The separator 10 is provided at the bottom with an inlet cone 16 which has an inlet opening 12 and opens up into a swirl chamber 18 at the top. In the lower part of this vortex chamber 18 there are a plurality of blades or vanes 20, which cause a mixture of water and steam, which flows through the device in the axial direction from bottom to top, to rotate and swirl.
These wings exert a centrifugal force on the mixture carried out, which causes the heavier components of the mixture, i.e. the water and the mist, to be pushed to the outer walls and the light components, i.e. the steam, to be located in the vicinity of the longitudinal axis. The liquid or the liquid mist then flows upwards on a helical line and is discharged via an overflow edge 22. The approximate boundary line between liquid and vapor is denoted by 24.
At the upper end of the vortex chamber, a pipe section 26 protrudes into it, an upper cover plate 28 being present which closes the annular space between this pipe section 26 and the outer jacket 30. An annular chamber 32 is thus formed between the vortex chamber wall and the outer jacket 30, which has an outlet opening 34 that opens downwards. The water or the highly water-containing mist is thus deflected and flows off via the outlet opening 34.
The pipe section 26 ends at the top in a dryer 14. FIG. 2 shows a view of the dryer which is placed on top of the swirl chamber 18. This dryer has a plurality of corrugated plates 40 running parallel to one another, which are spaced apart from one another and are held in their mutual position by spacers 42 and are held rigidly by clamping screws 44.
FIG. 3 shows a cross section through the device according to FIG. 1, the concentric arrangement between the outer jacket 30 and the wall of the vortex chamber 18 being evident. The blades 20 are held by a hub 50, so that several passages are created. The angle of attack of these blades is chosen so that a desired flow rate and a corresponding performance of the apparatus is achieved.
4 shows a longitudinal section through the apparatus according to the invention. This apparatus has a separator part 70 and a dryer part 72. The separator part contains a swirl chamber 74 with an inlet cone 76 which is connected at the bottom to an inlet opening 78. In the lower part of the swirl chamber 74 there are a plurality of blades or vanes 80 which protrude from a central hub 82 in an approximately radial direction. The passages between the blades or blades serve to give the water-and-steam mixture a twist. The shape of the hub is designed such that its cone angle is larger than the angle of the inlet cone 76, so that the free cross-sectional area decreases with increasing distance from the inlet opening 78 in the area of the blades 80.
In this area, the speed of the water-and-steam mixture passed through is increased significantly, for example the speed reaches about 35 meters per second. The approximate dividing line between the part of the mixture which is more enriched with water and the part of the mixture which is more enriched with steam or mist is indicated at 84.
A first tube 86 protrudes from above into the swirl chamber 74, an annular gap to the swirl chamber 74 being formed. An annular first cover plate 90 is attached to this tube 86 and protrudes outwards from it, the outer edge of this cover plate being connected to the jacket 92. This jacket 92 is arranged at a distance from the vortex chamber wall, so that an annular space 94 is formed between these two walls. The wall of the swirl chamber 74 does not project all the way to the cover plate, so that an overflow edge is created for the discharge of the water. In the space 94 there are a plurality of deflection plates 95, the purpose of which is to brake the rotational movement of the water flowing out.
Inside the tube 86 there is a further, somewhat longer tube 98 which is arranged coaxially with respect to the tube 86, an annular free space 100 remaining between these. This tube 98 is closed at the top by a second cover plate 102, the tube end face being connected to the cover plate and the latter being connected to the outer cylinder 104. These two plates 102 and 90 are parallel to one another and leave a gap free. The interspace 100 thus opens into an interspace 106, which forms an annular outlet opening 108 at the bottom, which in turn is surrounded by an annular, liquid-permeable sleeve 110. The liquid passes through this slowly in order to avoid disturbance or disturbance of the liquid level 112.
During operation, the steam now flows through the outlet pipe 98 into the dryer part 72. The liquid, on the other hand, reaches the area of the overflow 88, where it flows approximately in the direction of the arrows drawn and finally reaches the intermediate space 94, whereupon it approaches the outlet opening 96 flows according to the arrows drawn. This liquid is thus deflected by 180. The swirling movement of the water is braked and calmed by the deflection plates 95.
Investigations of devices according to FIG. 1 have shown that the water content of the steam reaches a relatively high level. It was suspected that this was due to the friction generated on the cover plate 28. Eddy currents cause water to be entrained to a greater extent, resulting in a high moisture content in the steam.
In the separator according to FIGS. 4 and 5, the two annular water drainage means serve to collect and discharge these boundary layers in order to achieve a more effective separation of the steam.
The pipe 98, the upper head plate 102 and the outer cylinder 104 are used for this purpose. The boundary layers are thereby collected, deflected by 180 and passed around the outside of the jacket 92, preventing the liquid flowing out via the overflow from being returned to the separator can occur.
These boundary layers are discharged downwards and outwards between the jacket 92 and the outer cylinder 104 via the outlet opening 108.
In the cuff 110, the kinetic energy of these flows is essentially destroyed.
In this way, the water content of the steam, which is above the liquid level 112, and the steam content in the liquid 114 are reduced at the same time. As a result, the steam that enters the dryer has a comparatively low moisture content even at high flow rates.
The blades or blades used are known per se, for example from the following literature: Centrifugal and Axial Flow Pumps in A. J. Stipanoff, John Wiley and Son 1948, pages 16 and 14J to 154; Report No. 1602 of Oak Ridge National Laboratory by J.A. Hafford describing.
Such blades create a free eddy current in the vortex chamber 74 with a highest volumetric input therein.
The after-dryer 72 has a housing 120 which is designed as a continuation of the outer cylinder 104. Furthermore, there is an annular drying jacket 122 and a perforated, inner cone 124 which is provided with openings 126 and a funnel part 128. This funnel part 128 has a central outlet pipe I30 at the bottom. The lower end of the drying jacket 120 is provided with a plurality of openings 132 which lie just above the cover plate 102.
A ring 136 with a triangular cross-section lies above the pipe 98 and forms the connection with the dryer 72. This ring, with its inner inclined surface 138, forms the lower inlet surface for the after-dryer. The upper inlet surface is formed by the outer conical surface of the funnel 128.
These surfaces lie approximately parallel to one another and form a passage whose smallest cross-sectional area is at least equal to the cross-sectional area of the outlet pipe 98, which cross-sectional area increases with increasing distance from the annular passage. The vertical surface 140 of the ring 136 acts as a dam which prevents liquid 142 that collects in the screen 144 from entering the dryer again. This sieve 144 has a cylindrical shape and is arranged on the inside of the housing 120. Another sieve 146 is located on the inside of the cone 124.
The steam, which enters the dryer 72 from the separator part 70 via the outlet pipe 98, flows between the funnel 128 and the ring 136 into the cavity between the perforated cone 124 and the drying screen 144. The swirl generated in the swirl chamber causes the liquid droplets which are carried away get into the drying sieve. Part of the kinetic energy of the eddy current is absorbed in this sieve, so that the swirl speed is reduced and a substantial proportion of the liquid droplets that are carried along are separated out. These precipitated liquid droplets are collected on the sieve surface and, as a result of their gravity, drip downward, forming the liquid layer 142.
This liquid flows into the liquid 114 through the openings 132 on the drying jacket 120.
The steam now flows at a reduced speed of rotation and with a reduced moisture content upwards inwards through the openings 126 in the cone 124 and then through the inner sieve 146. Since the steam has to pass through several sieves, its rotation speed is almost destroyed and also its moisture content is reduced again reduced in a similar manner as is the case with sieve 144. The total area of the openings 126 in the inner cone 124 is at least the same, but preferably larger than the minimum area for the flow between the ring 136 and the funnel 128.
The liquid that collects in the inner sieve 146 drips downward as a result of gravity into the funnel 128, from which the drops pass through the central drainage tube 130 into the swirl chamber 74. Here they are again carried away by the swirl of the mixture as soon as they come out of the longitudinal axis of the vortex chamber and hurled outwards, where they are again separated from the steam and enter the water-containing stream.
The dried steam exits the dryer through the upper opening 148, the cross section of which is at least equal to the total area of the opening 126 in the upper cone 124. The moisture content is about 6 percent by weight or less at the highest throughput.
FIG. 5 is a cross-section through the separator according to the invention and shows the coaxial arrangement of the various elements described, the illustration being a section along the line 5-5 in FIG. The innermost tube is the outlet tube 98 for the steam; this is followed by an intermediate space 100, then the pipe 86 and then the opening 88, the vortex chamber 74 and the annular channel 94 and finally the jacket 92, which is surrounded by the cover plate 102 and then the outer cylinder 104. In the annular channel 94 are 12 to deflecting vanes or Blades 95 are present, which are arranged offset from one another by 30 each.
From Fig. 6 u. a. the shape of the wings attached to hub 82 emerge. The deflecting vanes 80 have a slightly different shape than those in FIG. 4. This was done in order to avoid the inlet cone 76 and to arrange the blades with their hub 82 in the lowest part of the vortex chamber. Between the vortex chamber 74 and the jacket 92 there are a plurality of deflecting vanes 95 at the top, the upper part of which is bent in the swirl direction of the water flowing over the overflow edge.
This angle is usually between 5 and 15, based on the horizontal and measured at the wing root. The lower end of the wing is parallel to the longitudinal axis of the vortex chamber.
In Fig. 6, the lower part of the vortex chamber is cut away to show its interior. The vanes 80 are shaped at their lower parts so that they extend parallel to the longitudinal axis of the vortex chamber and their upper parts are curved, opposite to the deflection vanes 95, in order to guide the liquid between the vanes and a helical movement of the mixture in the Generate inside the swirl chamber. The angle of these wings is 30-40 measured at the root, based on the horizontal.
The following examples show the structure and the mode of operation of the separator according to the invention with a dryer in comparison with the separators known per se.
Example 1
A known vapor separator according to FIG. 1 has the following approximate dimensions:
Table 1 Swirl Chamber Tube 18
Diameter .... 21.5 cm length ....... 35.5 cm steam outlet pipe 26 Diameter ..... 13.5 cm length ....... 6.9 cm cover plate 28
Outer diameter .. 30.5 cm outer jacket 30 length ....... 38.1 cm wings 20 number ..... 4
Art ........ helical
Angle of incidence to the horizontal 40 Inlet pipe 16 Inlet diameter ... 15.2 cm dryer 14
Type........
Corrugated sheets
Width ....... 43.2 cm Length ...... 43.2 cm Height ........ 10.2 cm
Example II
The separator with dryer according to Example I (FIGS. 1-3) was tested with a steam-water mixture of 9.66% at a pressure of 70 ata and a temperature of 285 ° C. to determine its effectiveness in separating the water and Determine steam mixture at different throughput rates. The greatest separation efficiency was found at 533 m3 of water and steam mixture per hour, which corresponded to a steam content of 13400 kg per hour at the inlet. At this maximum flow rate, a vapor with a moisture content of about 6% was produced.
Example 111
A separator essentially according to Example I, but in the embodiment according to the present invention, has the following dimensions:
Table II
Vortex chamber 74
Diameter 21.5 cm
Length ... 61.0 cm steam outlet pipe 98
Diameter .. 13.5 cm
Length ... 7.6 cm
Head plate 102
Outside diameter 34.2 cm
Upper jacket tube 104 length ..... 64.7 cm
Inner tube 86
Diameter ... 16.9 cm
Length ... 3.8 cm cover plate 90
Outer diameter .... 30.5 cm outer jacket 92 length ........ 63.5 cm wing 28 type ...... free swirling number ...... 8
Angle related to the horizontal
Entrance end ...
90
Outlet end 27 deflectors
Type ...... free turbulence Number .... 12 division
Angle related to horizontal 30
Admission ..... 15
Outlet ........ 90
Dryer 72 Art ..... Centrifugal Outer Sieve 144
Inside diameter .... 11.25
Height 17.8 cm
Thickness ..... 2.54 cm
Inner sieve 146 lid 29.1 cm
Bottom ..... 14.2 cm
Thickness ...... 2.54 cm Example IV
The steam dryer was tested at 70 atm and 285 C with a 9.6 percent steam-water mixture according to the example.
It was found that the maximum output was reached at a moisture content of 6% at around 99 m3 of mixture per hour. This corresponds to a steam proportion of 24,000 kg per hour at the inlet and is an increase of 90% over the performance of the separator according to Example I.
It was thus found that the axial distance or the gap between the overflow of the vortex chamber 74 and the lower surface of the cover plate 90 has a critical influence on the operation of this separator. The facility was designed so that this gap could be changed.
The result of this change and the associated performance of the separator is shown graphically in FIG.
In this figure: A = throughput compared to the maximum throughput, B = moisture content of the steam (in percent by weight), C = gap height in units, D = overlap of the pipe 86 as a percentage of the gap height.
In this FIG. 7, the percentages by weight of moisture which are entrained by the steam according to Example III are shown graphically as a function of the axial gap at the upper end of the vortex chamber and as a function of the distance of the pipe 86 which protrudes into the vortex chamber, or the overlap of the same, expressed as a percentage of the axial gap, with different throughput rates being plotted as parameters.
The axial gap increased from about 0.65 units (corresponding to 1.65 cm) to about 1.25 units (corresponding to 3.17 cm) and when the overlap was reduced from 150 to 25% of the gap, a critical one arose Effect on the moisture content of the outflowing steam. With each intake volume per unit of time, the proportion of liquid decreased to a minimum and then increased again when the gap and the overlap values were varied.
Assuming 6% moisture content of the outflowing steam, it follows that Example III of the separator and dryer according to the invention has a maximum output of about 99 m3 per hour with an axial gap of about 2.54 cm. In this embodiment, the separated water contains about 0.2% by weight of steam. This performance is 180% of that of the separators known per se according to Examples 1 and II or FIGS. 1 to 3.
The following examples show the changes in the maximum flow rate (limited by the vapor separation capacity) of the boiling water reactor, which operates at 70 ata 285 C and has the largest core, which can be placed in a pressure vessel with an internal diameter of 406 cm.
Example V
A boiling water reactor with an output of 1100 megawatts (thermal) has 276 burner rods about 3 m long and a cross section of about 18-18 cm. These consist of a zircaloy envelope U02 with a content of around 2.1 uranium U23. These rods are arranged in a square of 10 X 10 pieces and spaced about 1.65 cm from each other. The circumference of this core has a diameter of about 343 cm. Average heat production is around 1.15 million kcal / m3 (128,000 BTU / h ft2) with peak outputs of around 5 million kcal / m3 (474,000 BTU / h ft2).
If this reactor is used in the reactor vessel without a special steam dryer and only use is made of the free detachment of the steam from the boiling liquid surface, a steam with no more than 6% moisture content is produced, with the vapor separation generating the maximum heat emission with which the reactor can be operated to about 270 megawatts (thermal). This is sufficient to drive a turbine with a generator, which delivers around 87 megawatts (electrical).
Example VI
If the boiling water reactor according to Example V is equipped with 85 liquid separators according to FIGS. 1-3 and Examples I and II, then this is the maximum number of these separators that can be accommodated in a tank with a diameter of 406 cm. This limits the vapor separation capacity to 610 megawatts (thermal).
The corresponding electrical output power is 197 megawatts, which corresponds to an improvement of 126% over Example V.
Example VII
If the boiling water reactor according to Example V is provided with 85 improved separators and dryers according to the invention, corresponding to FIGS. 4-6 and Examples III and IV, the separation capacity can be increased to 1100 megawatts (thermal). This corresponds to an output of 356 megawatts of electrical energy and means an improvement of 310% compared to Example V and of 80% compared to Example VI.
It can be seen from this that this liquid separator according to the invention, together with the dryer, allows a substantial improvement to be achieved, with a very large increase in the maximum electrical output power in boiling water reactors being possible.
In the separator according to the invention, the centrifugal dryer, the two annular discharge pipes, the critical dimensions of the gap between the cover plate and the overflow edge of the vortex chamber and the extent to which the pipes protrude into the vortex chamber, each contribute to obtaining the desired beneficial effect. The length of the tube 86 is approximately between 2 and 20% of the length of the vortex chamber, preferably between 5 and 10% of this length. It is also about 20-50 sÓ of the radius of the vortex chamber. The amount by which this pipe protrudes into the swirl chamber and the size of the gap have a significant influence on the performance of the separator, especially with the maximum flow rate.
These dimensions largely determine the proportion of liquid carried along. For example, the moisture content is less than 6% at an 80 percent throughput and at a pressure of 70 ata with an axial gap size which is between 20 and 35% above the gap size which gives the lowest moisture content. The variation is greater at lower throughputs. At maximum power, however, the allowable variation is 10% of the axial gap, which results in the lowest moisture content of the steam.
The overlap, i.e. H. the extent to which the pipe protrudes into the swirl chamber, expressed as a percentage of the gap height, is less critical with a lower throughput than with higher throughput. These percentages range from about 15-90%, with a throughput of 80%. At the maximum throughput, however, this value is reduced to 35-65%.
Instead of being used for water, these separators could also be used to separate the vapors from other liquids.