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Grenzdampferzeuger.
Unter einem Grenzdampferzeuger ist ein Dampferzeuger zu verstehen, in welchem das Arbeitsmittel ohne Aufnahme von Verdampfungswärme gewissermassen durch einen Grenzübergang aus dem flüssigen in den dampfförmigen Zustand übergeht. Es wird ihm durch eine Pumpe mindestens der kritische Druck aufgepresst, und seine Temperatur wird bis mindestens zur kritischen Temperatur gesteigert.
Der Grenzdampferzeuger ist ein reiner Röhrenkessel ohne Trommel, durch den das Arbeitsmittel zwangläufig durch eine Pumpe hindurehgedrüekt wird. Der Kessel ist in zwei Hauptteile unterteilt, nämlich in einen Teil, in welchen die Wärme durch Strahlung übertragen wird (Strahlungsteil) und in einen zweiten Teil, in welchen die Wärme durch Berührung der heissen Gase mit den Kesselrohren übertragen wird (Berührungsteil). Bei den bisherigen Konstruktionen des Grenzdampferzeugers liegt die Umwandlungszone, in welcher das Arbeitsmittel aus dem flüssigen in den dampfförmigen Zustand übergeht, innerhalb des Strahlungsteiles.
Bei sehr hohen Wärmebelastungen des Strahlungsteils zeigt es sich nun, dass, wenn Störungen auftreten, diese merkwürdigerweise nicht im Gebiet der höchsten Temperaturen vorkommen, sondern in etwas tiefer liegenden Temperaturgebieten, u. zw. etwa dort, wo die Umwandlungszone von Flüssigkeit in Dampf liegt. Die Erscheinungen, welche die Ursache hiefür sind, konnten noch nicht restlos geklärt werden. Man kann aber annehmen, dass sie die Folge einer Störung in der Wärmeübertragung sind. Es entstand die Aufgabe, die bisher verwendeten Konstruktionen des Grenzdampferzeugers in der Weise abzuändern, dass die Störungen in der Umwandlungszone vermieden werden. Als Lösung hiefür wurde gefunden, das Rohrsystem derart zu bemessen, dass die Zone des Überganges des Arbeitsmittels aus dem flüssigen in den dampfförmigen Zustand im Berührungsteil liegt.
Die Umwandlungszone wird also dem Einfluss der strahlenden Wärme entzogen. Betriebserfahrungen mit diesem Aufbau des Grenzdampferzeugers haben gezeigt, dass sieh hiedureh die früher beobachteten Störungen beheben lassen. Man
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zustand des Dampfes herzustellen, im Berührungsteil vorzunehmen, sondern man kann das Rohrsystem wieder in den Strahlungsteil zurückführen.
Die Verlegung der Umwandlungszone in den Berührungsteil ermöglicht eine weitere Ausgestaltung des Grenzdampferzeugers. Bekanntlich sind als Röhrenkessel ausgebildete Durchflusskessel sehr emp- findlich gegen unreines Speisewasser. Es können sich mit der Zeit Ablagerungen bilden, die den Durchgangsquerschnitt verengen. Die Ablagerungen sind wiederum eine Folge der Laugenkonzentration.
Man hat es zwar in vielen Anwendungsfällen des Grenzdampferzeugers in der Hand, Speisewasser des gewünschten Reinheitsgrades zur Verfügung zu stellen, doch kann es in Sonderfällen vorkommen, dass unerwünschte Verunreinigungen in das Speisewasser hineingelangen. Dieser Fall würde z. B. vorliegen, wenn der Kondensator Leckstellen enthält, so dass sich das Kühlwasser mit dem Kondensat mischt.
Die Laugenkonzentration ist nicht über den ganzen Kreislauf konstant, sondern nimmt nach der Umwandlungszone zu. Eine Selbstreinigung des Wassers wie beim normalen Kessel ist nicht möglich, denn es fehlen beim Grenzdampferzeuger die Trommeln, in denen sich die Lauge anreichern könnte. Auf Grund der Eigenart des Grenzdampfverfahrens lässt sieh jedoch ein Weg finden, der eine Abfuhr der ange-
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zone. Es ist dabei an die Einfügung einer kleinen Trommel oder Flasche in den Strömungsweg gedacht, die infolge ihrer im Hinblick auf die hohen Drücke nur kleinen Abmessungen als Rohrerweiterung an- gesprochen werden kann. Man wird den Kessel im allgemeinen so betreiben, dass der Dampf in der Rohr- erweiterung leicht überhitzt ist. Will man jetzt die konzentrierte Lauge abführen, so wird, z.
B. durch
Verminderung der Brennstoffzufuhr, die Temperatur der Gase im Berührungsteil erniedrigt. Die Folge davon ist, dass auch die Temperatur der Rohrerweiterung abnimmt. Da aber der kritische Druck des Rohrinhalts unabhängig von der herrschenden Temperatur durch die Pumpe gehalten wird, so füllt sich die Rohrleitung mit einem Medium von kritischem Druck, aber unterkritischer Temperatur an, d. h. mit Flüssigkeit. Da nun, wie bereits erwähnt, die Laugenkonzentration nach der Verdampfungszone hin zunimmt, so ist es gerade die konzentrierte Lauge, die in die Rohrerweiterung gelangt. Rüstet man diese mit einer Ablassvorrichtung aus, so wird es möglich, die konzentrierte Lauge aus dem Kessel zu entfernen.
Durch Steigerung der Wärmezufuhr wird das Wärmeniveau wieder erhöht, und die Rohrerweiterung liegt wieder hinter derUmwandlungszone imDampfstrom. Untersuchungen haben ergeben, dass man die Rohrerweiterung zweckmässig so bemisst, dass eine Strömungsgeschwindigkeit von 0'5 mjsek. nicht überschritten wird. Die Rohrerweiterung wird zweckmässig so angeordnet, dass sie der Einwirkung der Rauchgase entzogen ist.
Da man beim Röhrenkessel zur Erzielung einer guten Durchmischung des Inhaltes der einzelnen parallelen Rohre diese an Sammler anschliesst, von denen aus sie dann weitergeführt werden, so kann man unter Umständen auch einen dieser vorhandenen Sammler mit einer Ablassvorrichtung für die angereicherte Lauge ausrüsten, sofern der Sammler in einem Temperaturgebiet liegt, das durch Verminderung der Rauchgastemperatur unter die kritische Temperatur abgesenkt werden kann.
Von der normalen Kesseltrommel unterscheidet sieh die Vorrichtung gemäss der Erfindung dadurch, dass sie dauernd im Dampfstrom liegt und nur zu gewissen Zeiten mit der abzulassenden Lauge gefüllt wird, während die übliche Kesseltrommel in erster Linie zur Aufnahme von Flüssigkeiten dient.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Fig. 1 dargestellt.
Diese zeigt einen beispielsweise durch eine Kettenrostfeuerung 1 beheizten Kessel, der eine Brennkammer 2 und zwei Rauchgaskammern 3 a und 3 b enthält. Die auf dem Kettenrost 1 sich entwickelnden Flammen steigen zunächst in der Brennkammer 2 aufwärts, von der aus nach einer Umlenkung am oberen Ende der Brennkammer die von der Flamme herrührenden Rauchgase dann in der Kammer 3 a abwärts steigen und nach Umlenkung am unteren Ende der Kammer 3 a schliesslich in der Kammer. 3 b aufsteigend durch das Gebläse 4 abgesaugt und in den Kamin 5 gefördert werden. In den Kammern 2,
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einer Pumpe 12 das Arbeitsmittel in stetigem Fluss und unter stetig fortschreitender Erwärmung hin- durchgedrückt wird.
Der entstandene Dampf wird durch die Leitung 13 den Verbrauchern zugeführt.
Da die Rohrspiralen 8 und 10 direkt von den Flammen des Rostes umspült werden, so erfolgt naturgemäss
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die Entschlammung vorzunehmen, u. zw., indem man nicht die Beheizung des Kessels vermindert, sondern die Menge des zugeführten Arbeitsmittels erhöht. Auch in diesem Falle tritt eine Verschiebung der Umwandlungszone in der Strömungsrichtung des Arbeitsmittels ein.
Von dieser Tatsache wird erfindungsgemäss Gebrauch gemacht, indem bei einem Kessel mit einer Mehrzahl von parallelgeschalteten Rohrsträngen jeweils hinter der Umwandlungszone eine Entsehlammungsleitung angeschlossen wird, und durch Erhöhen der Durchflussmenge in dem zu entschlammenden Rohrstrang die Umwandlungszone so weit verschoben wird, dass an der Anschlussstelle der Entsehlammungsleitung nicht mehr Dampf, sondern Flüssigkeit vorhanden ist, so dass durch die betreffende Entsehlammungsleitung die angereicherte Lauge abgeführt werden kann.
Weiterhin wird erfindungsgemäss hinter der Abzweigstelle der Entsehlammungs- leitung eine Einrichtung vorgesehen, die ähnlich einem Rückschlagventil wirkt und verhindert, dass während des Entsehlammungsvorganges das Arbeitsmittel aus andern nicht zu entschlammenden Rohren zurückfliesst.
Die Vorgänge, die sich beim Entschlammen abspielen, sind nachfolgend an Hand der beigefügten Fig. 2-5 näher erläutert. Wie zu erkennen ist, besteht die Heizfläche des Kessels nur aus Rohren. Diese sind zum Teil in einer Brennkammer 51, zum Teil in den Rauchgaszügen 52 und 53 untergebracht, so dass sie teils durch Strahlung, teils durch Berührung beheizt werden. Der Kessel wird beispielsweise durch eine Kettenrostfeuerung 54 beheizt. Die sich aus der Flamme entwickelnden Rauchgase werden zunächst im oberen Teil der Kammer 51 umgelenkt und treten in die Kammer 52 ein, von der aus sie nach nochmaliger Umlenkung am unteren Teil dieser Kammer schliesslich die zweite Rauchgaskammer 53 nach oben aufsteigend verlassen. Das Arbeitsmittel wird z. B. durch eine Pumpe 55, die von einem regelbaren Elektromotor 56 angetrieben wird, durch die Rohre hindurehgepresst.
In der Abbildung sind beispielsweise drei Parallelstränge dargestellt. Wie zu erkennen ist, nimmt das Arbeitsmittel folgenden Weg : Aus der Hauptförderleitung 57 kommend, wird es zunächst von der Sammelflasche 58 auf beispielsweise drei in der Rauchgaskammer 53 liegende Parallelstränge verteilt. Im weiteren Verlauf wird es dann wiederholt in Sammelflaschen gemischt und von neuem auf weitere Parallelstränge verteilt.
Es nimmt hiebei seinen Weg über die Sammelflasehen 59-69. Die Heizfläche soll dabei so bemessen sein, dass die Zone, innerhalb der die Umwandlung von Flüssigkeit in Dampf erfolgt, etwa an der durch die Klammern und die Bezugszeichen 70, 71 und 72 gekennzeichneten Stelle liegt. Vor der Flasche 65, die, im Strömungssinne des Arbeitsmittels betrachtet, hinter der Umwandlungszone liegt, ist in jeden Strang eine Rückstromdrossel 73, 74 und 75 eingeschaltet. Die Anordnung der Rückströmdrossel und ihre Gestalt ist insbesondere aus Fig. 3 zu ersehen. Unter einer Rückströmdrossel wird eine Düse verstanden, die so im Strömungswege liegt, dass das Arbeitsmittel bei normalem Betriebe an dem engsten
Querschnitt der Düse eintritt und aus dem weitesten Querschnitt austretend die Düse verlässt.
Die Umsetzung von Druck in Geschwindigkeit, die an der engsten Stelle der Düse entsteht, wird bei dieser Anordnung durch den diffusorartig wirkenden divergenten Teil wieder rückgängig gemacht. Bei normalem Betriebe des Kessels würde also die so eingebaute Düse einen praktisch nur unbedeutenden Druekverlust hervorrufen. Das ist jedoch nicht der Fall, wenn sich die Strömungsrichtung umkehrt, d. h., wenn das Arbeitsmittel an der Stelle des grössten Querschnittes in die Düse eintritt und sie an der Stelle des engsten Querschnittes verlässt ; in diesem Falle folgt auf den engsten Querschnitt kein als Diffusor wirkender Teil, so dass die Düse in dieser Strömungsrichtung stark drosselnd wirkt. Von dieser Tatsache wird, wie später gezeigt wird, Gebrauch gemacht.
Wie die Zeichnung weiter erkennen lässt, ist an die Rohrstränge 76,77 und 78 an einer Stelle, die zwischen der Umwandlungszone und der Rückstromdrossel liegt, je eine Entschlammungsleitung 79, 80 und 81 angeschlossen. Am Ende dieser Entschlammungsleitungen sind Drosselscheiben 82, 83 und 84 und Absperrventile 85, 86 und 87 vorgesehen.
Soll beispielsweise der Rohrstrang 76 des Kessels entschlammt werden, so spielt sieh folgender Vorgang ab : Zunächst muss erreicht werden, dass die Umwandlungszone 70, innerhalb der der Übergang von Flüssigkeit in Dampf erfolgt, so weit verschoben wird, dass die schlamm-oder salzhaltige Flüssigkeit mindestens bis an die Stelle gelangt, wo die entsprechende Entschlammungsleitung 79 angeschlossen ist. Im vorliegenden Falle soll die Verlegung der Umwandlungszone durch Erhöhen der Arbeitsmittelmenge, die durch den betreffenden Rohrstrang strömt, erreicht werden.
Greift man der Einfachheit halber zu einem Zahlenbeispiel, und nimmt man an, dass zurVerlegung der Umwandlungszone 70 in dem Rohrstrang 76 eine doppelte Durchflussmenge durch diesen Rohrstrang erforderlich wird und die Pumpe die Arbeitsmittelmenge Q gefördert hat, so muss bei drei Parallelsträngen die Förderung der Pumpe etwa auf die Menge 4/3 Q erhöht werden. Gleichzeitig mit der Erhöhung der Förderleistung der Pumpe wird, um die Lauge abzulassen, das Absperrventil 85 geöffnet. Soll bei diesem Vorgang die erzeugte Dampfmenge unverändert gehalten werden, so müsste man das Ventil 85 gerade soweit öffnen, dass 1/3 Q durch die Entsehlammungsleitung 79 ausströmen kann.
Um die Verhältnisse gegeneinander abzustimmen, wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, vor das Ventil 85 eine Drosselseheibe 82 zu setzen, die selbst bei ganz geöffnetem Ventil 85 die Durchflussmenge bei dem von vornherein festliegenden Pumpendruck von selbst etwa auf den Betrag Q/3 begrenzt. Fig. 4 zeigt diese Drosselstelle in vergrössertem Massstabe. Hat
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drosseln 73,74 und 75 klar.
Wären diese Rückströmdrosseln nicht vorhanden, so würde während des Entschlammens eines Stranges von der Sammelflasche 65 her eine gewisse Menge an Arbeitsmittel zu- rückströmen. Da, wie oben beschrieben, die Düse oder Rückströmdrossel so eingesetzt ist, dass ein Zurückströmen weitgehend verhindert wird, so werden die der Sammelflasehe 65 nachgesehalteten Rohre praktisch während des Entsehlammens mit der gleichen Arbeitsmittelmenge gespeist wie im normalen Betriebe.
Fig. 5 zeigt, dass man die beim Entschlammen anfallende Lauge in einem geschlossenen Behälter sammeln kann, aus dem der Schwadendampf bzw. der beim Eindampfen der Lauge durch eine zusätzliche Beheizung entstehende Dampf noch nutzbringend einem Niederdruckverbraucher zugeführt werden kann.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Grenzdampferzeuger mit einer von Rohren gebildeten Heizfläche, die teils in der Brennkammer (Strahlungsheizfläehe), teils in einem oder mehreren nachgeschalteten Zügen (Berührungsheizfläehe) untergebracht ist, und mit einer Pumpe, die das Arbeitsmittel unter mindestens kritischem Druck in stetem Fluss und unter ständig fortschreitender Erwärmung durch die Rohre im Strahlungs- und Berührungs-
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Umwandlung des Arbeitsmittels von Flüssigkeit in Dampf erfolgt, Berührungsheizfläehen sind.