Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Heißdampfkühler und
insbesondere auf Heißdampfkühler, deren Ziel es ist, die Dampftemperatur zu
verringern, indem in eine Dampfströmung Kühlwasser gesprüht wird.
2. Beschreibung des Standes der Technik
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Heißdampfkühler werden eingesetzt zum Verringern und Steuern der
Temperatur einer Dampfströmung. Es gibt viele Vorrichtungen zur Ausnutzung
von Dampf, die mit einer Dampfzufuhr bei einer bestimmten Temperatur
arbeiten. Wird der Dampf bei einer höheren Temperatur produziert als
erforderlich, kann ein Heißdampfkühler die Temperatur herabsetzen, indem
Kühlwasser stromaufwärts von der verwendeten Vorrichtung in den Dampf
gesprüht wird. Einmal in die Dampfströmung eingesprüht, verdampft das
Kühlwasser und entzieht dem Dampf Energie, wodurch die
Dampftemperatur verringert wird.
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Bisher spritzten viele herkömmliche Heißdampfkühler, z. B. der in der DE-B
10 61 331 gezeigte, Wasser direkt in eine Dampfströmung in einer Leitung, wie
etwa ein Rohr, ein oder verwendeten Düsen dazu. Obwohl solche
Vorrichtungen im allgemeinen befriedigend arbeiteten, haben viele den Nachteil,
daß sie nur eine unzureichende Kontrolle über die Verdampfung des
Kühlwassers gewährleisteten, wodurch es schwierig wurde, effektiv und genau die
Dampftemperatur zu kontrollieren. Z. B. kann sich eingespritztes Kühlwasser,
das nicht schnell verdampft, am Boden des Dampfrohres sammeln und von
da in unkontrollierter Weise verdampfen, wodurch eine präzise Steuerung
der Temperatur unmöglich ist. Weiterhin kann unverdampftes Wasser
Abnutzungen und Wärmespannungen im Rohr verursachen, was zu Mängeln
in der Rohrleitung führt.
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Es sind verschiedene Ausgestaltungen von Heißdampfkühlern entwickelt
worden, um diese Probleme zu überwinden. Einige verwenden komplexe
Ausgestaltungen der Düsen, die einen feinen Nebel von relativ kleinen
Wassertröpfchen absprühen. Um die kleinen Wassertröpfchen zu erzeugen,
basieren solche Düsen jedoch auf kleinen Löchern oder Schlitzen und können
anfällig sein für Verschmutzung und Verstopfen durch Unreinheiten
innerhalb des Kühlwassers. Weiterhin können komplexe Düsen sowohl in der
Herstellung als auch in der Installation teuer sein, verbunden mit
zusätzli
chen Kosten für die individuellen Wasserzufuhrleitungen, die
Verbindungen für jede Düse und die Arbeit bei der Installation.
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Andere Ausführungen von Heißdampfkühlern versuchen, die Düsen so
anzuwinkeln, daß ein Auftreffen des Kühlwassersprays auf die Rohrwände
vermieden wird. Eine solche angewinkelte Düsenkonstruktion kann
komplex und teuer in der Herstellung sein, wobei sie oft keine volle Effektivität
erreicht.
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Weiterhin müssen die derzeitigen Ausführungen von Heißdampfkühlern
aufgrund ihrer Komplexität entsprechend der Spezifizierung jedes
individuellen Gebrauchs hergestellt werden, was weiterhin die Kosten in die Höhe
treibt. Solchen Vorrichtung können nicht leicht angepaßt werden, um
bestimmte Erfordernisse zu erfüllen.
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Im Hinblick auf die vorangegangenen Aspekte ist es ein Ziel der
vorliegenden Erfindung, einen Heißdampfkühler bereitzustellen, der effektiver die
Dampftemperatur in einer Dampfleitung kontrolliert.
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Ein weiteres Ziel besteht darin, einen Düse für einen Heißdampfkühler bereit
zu stellen, um kleine Wassertropfen von Kühlwasser in einem Sprühmuster
in die Dampfströmung zu sprühen, was es erlaubt, daß das Wasser effektiver
verdampft.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, einen Heißdampfkühler
bereitzustellen, der weniger kostenaufwendig in der Herstellung ist und leicht für
jeden individuellen Gebrauch angepaßt werden kann.
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Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, die
Geschwindigkeit des Dampfes in der Region, wo das Kühlwasser in die Dampfleitung
gespritzt wird, zu verändern, um eine effektivere Verdampfung des
Kühlwassers zu gewährleisten.
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Ein weiteres Ziel besteht darin, einen Heißdampfkühler mit Düsen
bereitzustellen, die weniger anfällig sind für Verschmutzungen und Verstopfungen.
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Noch ein weiteres Ziel besteht darin, einen Heißdampfkühler mit einem
eingebauten Überschuß an Düsen bereitzustellen, so daß der Heißdampfkühler
weiterhin arbeitet, auch wenn eine der Düsen aussetzt.
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Noch ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, die Leistung des
Heißdampfkühlers zu optimieren, indem in angemessener Weise Anzahl und
Position der Düsen ausgewählt werden können.
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Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung werden zum Teil in der folgenden
Beschreibung auseinandergesetzt und liefen für den mit der Technik
Vertrauten nach dem Studium des folgenden auf der Hand oder können durch
praktischen Umgang mit der Erfindung erlernt werden. Die Ziele und
Vorteile der Erfindung können realisiert und erreicht werden mit den Apparaturen
und Kombinationen, wie sie insbesondere in den beigefügten Ansprüchen
beschrieben sind.
Zusammenfassung der Erfindung
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Nach der vorliegenden Erfindung werden die vorangegangenen und andere
Ziele erreicht durch die Bereitstellung einer Vorrichtung zur
Heißdampfkühlung, wobei die Vorrichtung einen Körper hat, der einen Dampfeinlaß bildet,
einen Dampfauslaß, einen Kanal, der den Einlaß mit dem Auslaß verbindet,
eine Beschleunigungsöffnung, die den Kanal umgibt und innen einen
Bereich von beschleunigtem Dampf mit niedrigem Druck erzeugt, eine Vielzahl
von Düsen zum Sprühen von Kühlwasser in den Bereich des beschleunigten
Dampfes mit niedrigem Druck, wobei jede der Düsen eine Abgabeöffnung
mit einer geneigten elliptischen Konfiguration umfaßt, dadurch
gekennzeichnet, daß die Düsen umfangsmäßig um den Kanal angeordnet sind und
jede der Ausgabeöffnungen ein Kühlwassersprühmuster in der Form eines
Hohlkegels erzeugt. Die von der Düse erzeugte Tröpfchengröße ist relativ
klein im Vergleich zur Düsenöffnung, was die Düse weniger anfällig für
Verschmutzung und Verstopfung macht.
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Die Düse kann in der Beschleunigungsöffnung ausgebildet sein, die nachher
in den Kanal eingesetzt wird. Das erlaubt eine leichte Anpassung des
Heißdampfkühlers an bestimmte Erfordernisse, indem Anzahl und Orte der
Düsen angemessen ausgewählt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorangegangene Zusammenfassung und die folgende detaillierte
Beschreibung können besser verstanden werden, wenn sie in Verbindung mit
den hier beigefügten Zeichnungen gelesen werden. Aus Illustrationsgründen
für die Erfindung wird in den Zeichnungen eine derzeit bevorzugte
Ausführungsform dargestellt, wobei jedoch einzusehen ist, daß diese Erfindung nicht
begrenzt ist auf die genaue Anordnung und die Apparaturen, wie sie gezeigt
sind.
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Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines Heißdampfkühlers in Übereinstimmung
mit der Erfindung.
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Fig. 2 ist eine vergrößerte Schnittansicht und zeigt eine in der
Beschleunigungsöffnung befindliche Düse.
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Fig. 3 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 3-3 von Fig. 2.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird ein Heißdampfkühler 10 gezeigt, der einen
Körper 12 umfaßt mit einem kreisförmigen Dampfeinlaß 14, einem
kreisförmigen Dampfauslaß 16 und einem zylindrischen Kanal 18, der im Körper
12 ausgebildet ist und Einlaß 14 und Auslaß 16 verbindet. Kanal 18 hat einen
abgestuften Bereich 20, der durch eine abgestufte Wand 21 des Körpers 12
definiert ist und einen kleineren inneren Durchmesser hat als die anliegenden
Einlaß- und Auslaßkanäle 22a bzw. 22b, und eine Kante 24, die als Teil des
Körpers 12 ausgebildet ist und umfangsmäßig um die Innenseitenwand des
Kanals 18 herum verläuft.
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Der Heißdampfkühler 10 kann in irgendeiner bekannten Weise in einer
Dampfleitung installiert werden, unter anderem stromaufwärts von
irgendeiner Vorrichtung, die Dampf verwendet (nicht gezeigt). So installiert, tritt
Dampf aus einem Dampferzeuger durch den Einlaß 14 ein und durch den
Auslaß 16 aus. Der gezeigte Körper 12 ist maschinell für
Stumpfschweißverbindungen hergestellt, obwohl jede geeignete Rohrverbindung verwendet
werden kann, so wie eine bundlose (zwischen den Flanschen) Installation.
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Kühlwasser tritt durch den kreisförmigen Wassereinlaß 26 ein, der mit einer
Hochdruckwasserquelle verbunden ist durch den Flansch 28 und das
Rohrelement 30, das mit den Schweißstellen 32a, 32b befestigt ist.
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Ein zylindrischer Beschleunigungsöffnungseinsatz 34 befindet sich axial
innerhalb des abgestuften Bereiches 22 und stößt an die Kante 24 an. Er wird an
seinem Ort gehalten und innerhalb des Kanals 18 abgedichtet durch einen
Fest-(Schrumpf-)Sitz zwischen dem inneren Durchmesser des Körpers 12, der
durch die abgestufte Wand 21 gebildet wird, und dem Außendurchmesser des
Einsatzes 34 selbst. Der Festsitz dichtet zwischen dem Einsatz 34 und dem
Körper 12 ab und erhält eine Spannungsbelastung im Einsatz 34 und im
Körper 12 aufrecht, die innerhalb der elastischen Grenzen der verwendeten
Materialien bei den während der Beanspruchung auftretenden
Temperaturänderungen liegt. Der Einsatz 34 besteht vorzugsweise aus einem rostsicheren,
heißbehandelten Material.
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Der Innendurchmesser des Einsatzes 34 definiert einen zylindrischen
Dampfströmungskanal 36 mit einer krummlinigen Wand 38, die den
Durchmesser des Dampfkanales begrenzt, und geneigten Wänden 40 und 42,
die den Durchmesser des Dampfströmungskanals scharf vergrößern.
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Im Körper 12 wird umfangsmäßig um den die Innenseitenwand
definierenden abgestuften Bereich 20 ein ringförmiger Kühlwasserkanal 44 gebildet, der
an seiner innersten Seite durch die Außenwand 46 des Einsatzes 34 begrenzt
ist. Wasserkanal 26 wird mit dem Wasserkanal 44 verbunden durch einen
Wasserkanal 48, der innerhalb des Körpers ausgebildet ist.
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In den Einsatz 34 sind Wirbeldüsen 50 hineingebildet oder maschinell
hineingearbeitet. Unter Bezugnahme auf die Fig. 1, 2 und 3 umfaßt jede der
Wirbeldüsen 50 ein Wasserzufuhrrohr 52, das tangential mit einer zylindrischen
Wirbelkammer 54 verbunden ist, die einen konischen Abschnitt 56 aufweist,
eine zylindrische Einlaufstelle 58 und eine geneigte elliptische
Ausgabeöff
nung 60 in der Oberfläche der angewinkelten Wand 40 des
Innenseitendurchmessers des Einsatzes 34. Das Wasserzufuhrrohr 52 erstreckt sich zum
Wasserkanal 44 für die Zufuhr von Kühlwasser an die Wirbeldüsen 50, um
durch die Ausgabeöffnung 60 in den Dampfströmungskanal 36 zu sprühen.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 kann man sehen, daß die Innenseiten-
Durchmesserwand 21 des Körpers 12 (abgestufter Bereich 20) eine Wand des
Rohres 52 und der Kammer 54 bildet.
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Düsen werden, wie oben beschrieben, einfach durch Formen oder
maschinelles Einarbeiten in der gewünschten Anzahl dem Einlaß 34 hinzugefügt, bevor
der Einsatz im Kanal 18 installiert wird. Da der Kanal 44 um den abgestuften
Bereich 20 umfangsmäßig herum verläuft, ist nach der Installation des
Einsatzes 34 in den Körper 12 jedes der Zufuhrrohre 52 mit dem Kanal 44
verbunden.
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Nachdem die strukturellen Aspekte des Heißdampfkühlers beschrieben
worden sind, wird nun sein Betrieb diskutiert. Überhitzter Dampf tritt in den
Heißdampfkühler 10 durch den Einlaß 14 ein. Wenn der Dampf durch den
begrenzten Dampfströmungskanal, der vom inneren Durchmesser 38 des
Einsatzes 34 gebildet wird, strömt, steigt die Geschwindigkeit des Dampfes an
und führt zu einer Zone mit Dampf von hoher Geschwindigkeit und
niedrigem Druck, die von den Wänden 40 und 42 und dem Kanalgebiet 22b
definiert wird, in das das Kühlwasser eingesprüht wird.
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Das Kühlwasser tritt in den Heißdampfkühler durch den Wassereinlaß 26 in
den Wasserkanal 44 ein und danach in jedes Wasserrohr 52 von jeder Düse
50. Während seiner Verweilzeit im Wasserkanal 44 wird das Wasser mit der
vom Dampf abgegebenen Wärmeenergie vorgeheizt und durch den Körper
12 und den Einsatz 34 geleitet.
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Wie am besten in den Fig. 2 und 3 zu sehen, tritt das Wasser, wenn es sich
einmal in einem Wasserrohr 52 befindet, tangential in die Wirbelkammer 54
ein, wo ein Teil der Druckenergie des Wassers in Geschwindigkeitsenergie
umgewandelt wird. Diese Umwandlung führt zu einem Wasserwirbel mit
hoher Geschwindigkeit innerhalb der Kammer 54, der nach unten und
einwärts in den konischen Abschnitt 56 beschleunigt wird, bevor er den Bereich
mit Dampfströmung bei niedrigem Druck durch die Einlaufstelle 58 und die
geneigte Ausgabeöffnung 60 erreicht. Das vom durch die Ausgabeöffnung 60
austretenden Kühlwasser gebildete Sprühmuster ist ein halbelliptisches
Hohlkegelmuster mit kleinen Tröpfchen und liefert eine optimale
Dispersion im überhitzen Dampf.
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Der Bereich der Tröpfchengröße, das hohle Sprühmuster und die
Sprührichtung werden durch die Geometrie der Wirbelkammer 54 hervorgerufen,
durch den Durchmesser der Einlaufstelle 58 und durch die Abgangsform, die
von den sich schneidenden Oberflächen der Düseneinlaufstelle 58 und der
Beschleunigungsöffnung 34, die die geneigte elliptische Ausgabeöffnung 60
bildet, gebildet wird. Das von jeder Düse abgegebene Hohlkegelsprühmuster
hat eine halbelliptische Form, weil die geringere Anzahl von
Wassertröpfchen senkrecht zur Strömungsrichtung in die Dampfströmung eintritt und
die größere Zahl als ein weiter fächigerförmiger Hohlkegel mit einer
Geschwindigkeitskomponente in der Richtung der Dampfströmung. Da die
größere Anzahl von Tröpfchen in derselben Richtung eingesprüht wird wie die
Dampfströmung, wird die Verweilzeit der Tröpfchen in der Zone mit
überhitztem Dampf angehoben, wodurch die Verdampfung verbessert wird.
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Die Dampftemperatur wird reduziert, wenn die Tröpfchen in der
Dampfströmung verdampfen. Der Dampf mit der reduzierten Temperatur
wird dann an die ihn verwendende Vorrichtung weitergeleitet.
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Die Konfiguration der individuellen Wirbeldüsen 50 liefert große
Strömungskanäle im Verhältnis zur Größe der produzierten Tröpfchen. Die
beschriebene Ausführung der Düsen ist daher weniger anfällig für
Verschmutzungen und Verstopfungen als herkömmliche Düsen, die auf kleinen
Öffnungen oder Schlitzen zur Erzeugung von einem Spray mit kleinen
Wassertropfen basieren.
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Eine Vielzahl von Wirbeldüsen 50 ist wie gezeigt umfangsmäßig um die
Dampfbeschleunigungsöffnung 34 herum angeordnet, wobei die
Kombination von kleiner Tröpfchengröße und geeigneter Verteilung durch das
elliptische Hohlkegelsprühmuster dem überhitzten Dampf effektiv Kühlwasser
zuführen. Eine Optimierung des Heißdampfkühlers kann vorgenommen
werden, indem die Anzahl und Orte der Düsen geeignet ausgewählt werden,
um bestimmte Erfordernisse der Dampfströmung zu erfüllen.
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Obwohl hier eine bevorzugte Ausführungform der Erfindung beschrieben
worden ist, sollte es für den mit der Technik Vertrauten klar sein, daß
verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können,
ohne daß der Rahmen der Erfindung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen
beansprucht wird, verlassen wird.