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Einrichtung zum Verdampfen von Flüssigkeit
Eine häufig vorkommende Aufgabe bei verschiedenen technologischen Prozessen stellt das Verdampfen von verschiedenen Flüssigkeiten dar. Das Verdampfen kann verschiedene Ziele haben, so z. B. das Verdampfen eines bestimmten Flüssigkeitsteiles zur Energieerzeugung bzw. zur Gewinnung von Heizdampf, das Abkühlen einer Flüssigkeit, die Gewinnung von reinem Lösungsmittel, wie z. B. die Entsalzung des Meerwassers, das Eindämpfen bzw. verschiedene Kombinationen dieser Prozesse.
Hiebei soll allgemein ein möglichst trockener, flüssigkeitsfreier Dampf gewonnen werden, dessen Druck niedriger als der Sättigungsdruck der verdampften Flüssigkeit ist, u. zw. in einer möglichst kleinen Anlage.
Beim Verdampfen wird die Flüssigkeit in einen Raum geleitet, dessen Druck niedriger als der Sättigungsdruck der Flüssigkeit ist, wo ein Teil der Flüssigkeit verdampft, worauf Dampf und Flüssigkeit getrennt und gesondert abgeführt werden.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe sind mehrere Einrichtungen bekanntgeworden, ihre Mängel liegen jedoch darin, dass sie entweder sehr gross sind oder dass der gewonnene Dampf einen hohen Anteil an Flüssigkeit mitnimmt, wobei durch die Tropfenabscheidung der Dampfdruck des gewonnenen Dampfes wesentlich herabgesetzt wird.
Eine bekannte derartige Einrichtung besteht aus einer Reihe von grossräumigen Gefässen, bei denen die Austrittsgeschwindigkeit des Dampfes aus der Flüssigkeitsoberfläche nur gering ist, wogegen der grosse Dampfraum infolge der in ihm entstehenden niedrigen Strömungsgeschwindigkeit des Dampfes eine Absetzung bzw. Abscheidung von Flüssigkeitstropfen zulässt. Durch eine entsprechende Dimensionierung kann zwar erreicht werden, dass bei der Einrichtung keine gesonderten Tropfenabscheider benötigt werden, weil die Tropfenmitnahme unbedeutend ist, wobei der Druck des gewonnenen Gases gleich dem Sättigungsdruck der verdampften Flüssigkeit ist. Ein grosser Nachteil der Einrichtung ist jedoch, dass sie bei üblichen Betriebsbedingungen sehr gross ist und teuer herzustellen ist.
Bekannt ist auch eine Abwandlung der obigen Einrichtung mit kleinen Gefässen. In diesem Falle enthält jedoch der gewonnene Dampf feine Tröpfchen, daher muss der entstandene nasse Dampf einem gesonderten Tropfenabscheider zugeführt werden. Die Einrichtung ist zwar klein und sie liefert einen trockenen Dampf, dessen Druck aber infolge der Verwendung des gesonderten Tropfenabscheiders niedriger liegt als der Sättigungsdruck der Flüssigkeit.
Bei einer weiteren bekannten Lösung wird die Flüssigkeit in den Dampfraum eines sogenannten Drosselgefässes durch gewöhnliche, eventuell durch kurze, in einem unter grossem Winkel erweiterten Abschirmkegel endenden Düsen eingeleitet.
In diesem Falle wird der Flüssigkeitsstrahl durch den aus ihm sofort austretenden, in der Regel sehr grossvolumigen Dampf grösstenteils in feine Tröpfchen zersprengt. Die grösseren Tröpfchen setzen sich im Gefäss ab, während der noch feine Tröpfchen enthaltende Dampf in einen gesonderten Tropfenabscheider geleitet wird.
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Dieses System ist mit dem gleichen Mangel wie das vorher beschriebene behaftet, infolge der Verwendung des Tropfenabscheiders ist nämlich der Druck des gewonnenen Dampfes niedriger als der Sättigungsdruck der Flüssigkeit. über all diese Faktoren hinausgehend haben die bekannten Einrichtungen noch den gemeinsamen Nachteil, dass die bei der Drosselung der Flüssigkeit frei werdende Energie beim Zersprengen des Flüssigkeitsstrahles in feine Tröpfchen aufgebraucht wird, somit kann die Trennung von Dampf- und Flüssigkeitsphase entweder nur in grossen und daher teuren Einrichtungen, oder in solchen, die den Druck des gewonnenen Dampfes und somit seine Sättigungstemperatur unter den im Drosselgefäss vorhandenen Wert herabsetzen, also zusätzliche Energie verbrauchen, durchgeführt werden.
Zweck der Erfindung ist die Beseitigung der oben genannten Mängel und die Entwicklung einer Einrichtung, durch die gerade die bei der Verminderung des Druckes freiwerdende Energie zur Beschleunigung der beim Verdampfen entstehenden Phasen und zur Trennung derselben voneinander ausgenutzt wird, in der eventuell der gewonnene Dampf geringfügig noch komprimiert wird.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass das obige Ziel erreicht werden kann, wenn die zu verdampfende Flüssigkeit in einer entsprechend gewählten, zweckmässig ausgebildeten Düse bis zum gewünschten Verdampfungsdruck expandiert wird, wonach der hiedurch gewonnene, gerichtete Flüssigkeits-Dampfstrahl hoher Geschwindigkeit und geringen Tropfengehaltes ohne jegliche Zwischenoperation zur Richtungsänderung bzw. zweckmässig auf eine kreis-oder spiralförmige Bahn gezwungen wird, wobei die beiden, auf diese Weise vollkommen getrennten Phasen gesondert abgeführt werden.
Ausgehend also von einer Einrichtung zum Verdampfen von Flüssigkeit unter Einführung der Flüssigkeit mittels einer Düse in einen zylinderförmigen Raum, besteht das Wesentliche dieser Einrichtung nach der Erfindung darin, dass sie eine Expansionsdüse mit sich in Strömungsrichtung verengendem und anschliessend erweiterndem oder im Falle der Verwendung von gekrümmten Düsen auch konstantem Querschnitt aufweist, an die, gegebenenfalls über eine Leitfläche, unmittelbar ein drehkörperförmiger Tropfenabscheider angeschlossen ist.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
Fig. l stellt den Längsschnitt durch eine Düse der erfindungsgemässen Einrichtung dar. Fig. 2 zeigt einen Querschnitt eines Ausführungsbeispieles der erfindungsgemässen Einrichtung, während Fig. 3 den Längsschnitt eines weiteren Ausführungsbeispieles und Fig. 4 den Querschnitt eines Ausführungbeispieles der Einrichtung mit bogenförmiger Düse darstellt.
Der Winkel--4--des sich erweiternden Abschnittes--3--der in der Fig. l dargestellten Expansionsdüse ist kleiner als 300, er beträgt zweckmässig 8 bis 150, um einen gut geordneten Flüssigkeits-Dampfstrahl zu gewinnen. Die Funktionsweise der Düse kann, wie aus der Strömungslehre bekannt, wie folgt beschrieben werden. Die zu drosselnde Flüssigkeit wird aus der Leitung-l--in die Düse geleitet. Der Druck der Flüssigkeit sinkt auf den Sättigungsdruck ab, bis sie am engsten Querschnitt --2-- der Düse ankommt. Hier treten praktisch die ersten Dampfblasen auf. Während des Abnehmens des Druckes, der im Querschnitt --2-- herrscht, bis auf den gewünschten Druck, wobei sich das Ausdampfen der Flüssigkeit vollzieht, verdoppelt sich das Volumen des strömenden Mediums.
Infolge der Verminderung des Druckes hatte die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums zugenommen.
Das Volumen des strömenden Mediums wächst jedoch schneller als dessen Geschwindigkeit, weshalb der Abschnitt--3--der Düse sich erweitert. Diese Erweiterung ist so zu dimensionieren, dass der Druck des Mediums in ihr praktisch bis zum gewünschten Ausdampfdruck vermindert wird.
Hierauf wird der in der Düse erzeugte, gerichtete Flüssigkeits-Dampfstrahl einer Richtungsänderung unterzogen. Dabei prallt die Flüssigkeit, die infolge ihres höheren Impulses ihre Richtung beibehält, gegen eine Wand, wodurch sie vom Dampf getrennt wird. Der sich an die Düse anschliessende Raum ist zweckmässig so ausgebildet, dass der Dampf einen Wirbel hoher Intensität bildet. Die zu seiner Aufrechterhaltung erforderliche Energie wird durch den eintretenden Strahl hoher Geschwindigkeit geliefert. Der Wirbel bewirkt, dass auch die eventuell noch im Dampf vorhandenen Tröpfchen ausgeschieden werden.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 gelangt der Flüssigkeits-Dampfstrahl aus der Douse-5-- über die Leitfläche --6-- tangential in den Zylinder--7--oder tritt in diesen höchstens unter einem Winkel von 100 ein. Der Zylinder --7-- ist mit einem Flüssigkeit-Auffangblech--9--und einem Stutzen --10-- zum Abführen der Flüssigkeit versehen. In der Mitte des Zylinders ist für den Energieaufwand der Wirbelzone, zur Erhöhung des Druckes des Dampfes und zur Sicherung einer wirbelfreien Strömung ein an sich bekanntes Leitrad-8-angeordnet.
Bei dieser Lösung ändert der sich in der Düse-5-entspannende Flüssigkeits-Dampfstrah !
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beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ein Drall entgegen dem Uhrzeigersinn aus. Aus dem in den vom Wirbel ausgefüllten Raum gelangten Dampf wird auch noch die restliche Flüssigkeit entfernt.
Es ist sehr wesentlich, dass der Flüssigkeitsstrahl nicht sehr steil gegen die Leitfläche prallt, da in diesem Falle eine Rückstrahlbildung auftreten könnte. Daher ist es notwendig, dass sich die Leitfläche --6-- tangential oder nahezu tangential an den Zylindermantel --7-- anschliesst.
Die Flüssigkeit ändert im Zylinder --7-- ihre Richtung nicht ganz um 3600, wonach sie in einen durch das Blech--9--abgegrenzten Raum gelangt und über den Stutzen --10-- abgeführt wird.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist die Douse --5-- an den Zylinder--11--auf die bereits beschriebene Weise angeschlossen, wobei sie jedoch mit den Erzeugenden des Zylinders einen grösseren Winkel als 900 einschliesst.
Bei dieser Lösung gelangt die Flüssigkeit aus der Düse --5-- auf eine spiralförmige Bahn, die sich entlang der Zylindermantelfläche ausbildet. Von hier gelangt sie in eine im unteren Teil des Gefässes sich bildende Wirbelzone, wonach sie über den Stutzen --12-- abgeführt werden kann. Bei dieser Lösung ist für den Energieaufwand der Wirbelzone, zur Erhöhung des Dampfdruckes und zur Wirbelfreimachung des aus der Wirbelzone austretenden Dampfes ebenfalls ein Leitrad--8-- angeordnet.
Die oben erörterten Ausführungsbeispiele erweisen sich aus konstruktiven Gründen häufig dann als nicht günstig, wenn die Düse aus dem Zylinder herausragt und somit keinen kompakten Aufbau ermöglicht. In den Fällen, wo ein kompakter Aufbau als unbedingt erforderlich verlangt wird, wird die
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Phasen bereits in der Düse ein, zwischen Flüssigkeit und Dampf tritt ein Geschwindigkeitsunterschied auf, wodurch sich innerhalb des Zylinders --15-- im Wirbelraum ein grösserer Drall ausbildet und eine bessere Abscheidung der Flüssigkeit ermöglicht wird.
In einer Düse mit gekrümmter Achse bilden sich die Strömungsverhältnisse, insbesondere bei geringem Druckabfall, derart aus, dass die Düse auch in jenen Fällen eine geordnete Strömung sichert, bei denen ein sich erweiternder Abschnitt fehlt, d. h. wenn die Expansion in einem bogenförmig ausgebildeten Fortsatz konstanten Querschnittes erfolgt. Dieser Umstand führt zu einer weiteren Vereinfachungsmöglichkeit der konstruktiven Gestaltung
Der durch die Wirbelzone strömende Dampf verfügt über eine beachtliche kinetische Energie. Es ist zweckmässig, diese Energie zur Erhöhung des Druckes des abziehenden Dampfes zu verwenden.
Zu diesem Zwecke sind bei den erfindungsgemässen Einrichtungen die Leiträder-8-angeordnet. Da der abziehende Dampf anschliessend meistens kondensiert wird, nimmt dadurch die Temperaturdifferenz in dem im Anschluss an die Einrichtung angeschlossenen Kondensator zu.
Da die Anlagen, bei denen die Erfindung Verwendung finden kann, meist Konstruktionen sind, bei denen auf Wirtschaftlichkeit hohes Gewicht gelegt wird, ist auch eine Temperaturerhöhung von einigen Zehntel Grad von grosser Bedeutung.
Die erfindungsgemässe Einrichtung kann naturgemäss mit einer an mehrere Düsen angeschlossenen Leitfläche oder mit mehreren Leitflächen, die zu einem Wirbelzylinder gehören, ausgerüstet sein.
Die erfindungsgemässe Einrichtung kann sehr klein bemessen werden und gewährleistet trotzdem eine einwandfreie Abscheidung der Tröpfchen. Ihre Grösse ist kaum grösser als die des Dampfabfuhrrohres. Der gewonnene Dampf ist trocken, da die hohe Fliehkraft eine bessere Tropfenabscheidung als bisher ermöglicht. In den bekannten Einrichtungen erfolgt die Tropfenabscheidung nämlich entweder auf Kosten der aus der Druckabnahme des Dampfes herrührenden Energie, oder aber sie verlangt nach Erhöhung der Gefässabmessungen. In der erfindungsgemässen Einrichtung wird hingegen eine bedeutende Energie, die sich aus der Drosselung der Flüssigkeit ergibt, nutzbar gemacht, die in den bekannten Einrichtungen nutzlos verlorengeht.
Schliesslich wird bei der erfindungsgemässen Einrichtung der Dampf keiner gesonderten Drosselung unterzogen, durch die teilweise Nutzbarmachung der Rotationsenergie kann der Dampfdruck sogar über den Sättigungsdruck der ausgedampften Flüssigkeit erhöht werden.
Infolge der aufgezählten Vorteile beträgt das Gewicht und das Volumen der erfindungsgemässen Einrichtung 5 bis 15% der bisher bekannten Einrichtungen bei gleicher Leistung, wobei die Qualität des Dampfes besser ist.