Dampfumformventil Die Erfindung betrifft ein Dampfumformventil, in welchem gleichzeitig der Dampf durch abflusseitiges Einspritzen von Wasser gekühlt wird und an dessen verstellbaren Ventilquerschnitt sich ein erweiternder Strömungsraum anschliesst.
Solche Ventile sind bereits bekannt. Bei einem bekannten Ventil wird das Kühlwasser in der Nähe des Ventilsitzes am Ort der stärksten Einschnürung des Dampfstromes zugeführt, damit es durch die dort herrschende hohe Dampfgeschwindigkeit mitgerissen und fein verteilt, sowie durch das Temperaturgefälle zwischen Dampf und Wasser verdampft werde. So fern ein bestimmter prozentualer Wasserzusatz nicht überschritten wird, kann das Wasser vom Dampf in nerhalb des Ventils aufgenommen werden. Durch die Ausführung der Spritzöffnung als Ringschlitz erreicht der prozentuale Wasserzusatz höhere Werte.
Nach teilig ist der bei der Reduzierung von Hochdruck- Heissdampf auf Niederdruckdampf erforderliche hohe Kühlwasserdruck. Das Kühlwasser muss entwe der der Kesselspeisepumpe entnommen werden, so dass diese entsprechend grösser auszulegen ist, was eine Verteuerung der Anlage ergibt, oder es ist eine besondere Hochdruck-Einspritzpumpe aufzustellen, die bei den erforderlichen hohen Drücken und den kleinen Einspritzmengen schlecht und unwirtschaft lich arbeitet.
Bei bestehenden Dampfkesselanlagen, deren Heissdampfkühler durch ein Dampfumform- ventil ersetzt werden soll, haben die Kesselspeise- pumpen nicht die notwendige Reserve zur Mitförde- rung des Einspritzwassers.
Der Förderdruck der vor handenen Kühlwasserpumpen des zu ersetzenden Heissdampfkühlers reicht jedoch nicht für die Was serzufuhr des bekannten Dampfumformventils aus, weshalb die Anschaffung besonderer Hochdruck- Einspritzpumpen notwendig wird. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass eine Dampfkühlung bis nahe an den Sattdampfzustand nicht @mö;glich ist, weil die Temperaturdifferenz zwischen Dampf und Was ser und damit der Wärmeaustausch verschwinden, bevor die Verdampfung abgeschlossen ist.
,Es ist bekannt, durch Kupplung des Kühllwasser- ventils mit dem Dampfventil oder dadurch, dass man eine druckabhängige Regeleinrichtung gleichzeitig auf Dampf- und Wasserventil, einen Temperaturre gler jedoch nur auf das Wasserventil wirken lässt, das Regelverhalten des bekannten Dampfumformventils zu verbessern. Weiter ist es bekannt, hinter der Mischzone von Dampf und Wasser zur Verstärkung der Verwirbelungs- und Ausdampfwirkung eine sprunghafte Erweiterung des Strömungskanals vorzu sehen. Durch die ungeordnete Strömung können jedoch unerträgliche Geräusche und gefährliche Vibrationen auftreten.
Bei der Einspritzung des Kühlwassers in Nähe des Ventilsitzes sind als Folge der thermischen Bean spruchung Beschädigungen und Funktionsstörungen des Ventiles :möglich. Deshalb isst bei einem bekannten Dampfumformventil die Kühlwassereinspritzung in .den ,abflu:s,seitgen Ventilteil, sder vorzugsweise als Venturi-Rohr zur Erzielung eines Druckrückgewinns ausgebildet ist, vorgesehen.
Dieses Ventil ist aber nur für den Einsatz bei unterkritischen Druckgefällen bcestimmt. Bei einem anderen Dampfumformsventil ist abflusseitig eine zweite Einschnürung vorgesehen, bei der die Wassereinspritzung erfolgt. Dadurch ist die Gefahr für den Ventilsitz beseitigt, die Dampfge schwindigkeit, welche für die Tropfengrösse massge- bend ist, wird jedoch stark verringert.
Bei einem bekannten Dampfumformventil mit abflusseitiger Wassereinspritzung wird das Wasser auch :bei Teillast durch einen sellb:stregelnden Ring- spalt mit geeigneter Geschwindigkeit in den Dampf- strom gespritzt.
Wegen der mit der ungeordneten Strömung verbundenen starken Geräusche ist diesem Ventil eine stark wirkende Labyrinth-Drosselstrecke nachgeschaltet, die das Druckniveau so hoch hält, dass das konische Rohr zwischen dem Dampfventil und der Drosselstrecke als Venturi-Rohr wirkt.
Es ist ferner ein Drosselventil mit einem sich an die Durchgangsstelle des Dampfes anschliessenden Ausflussrohr und einem in dieses hineinragenden Drosselkörper bekannt, der mittels .der Ventilspindel verstellt werden kann und so geformt ist, dass in jeder Lage des Drosselkörpers die Führung des Dam pfes wie bei einer Laval-Düse erfolgt.
Dieses Ventil hat die Aufgabe, den Dampfdurchfluss bei fester Ventileinstellung und schwankendem Gegendruck konstant zu halten; es ist aber nicht geeignet, den Ge gendruck zu regeln und gleichzeitig den Dampf mit tels Einspritzwasser zu kühlen.
Den bekannten Dampfumformventilen ist ge meinsam, dass die Zerstäubung des zugeführten Was sers durch die Relativgeschwindigkeit und die Ver dampfung durch das Temperaturgefälle zwischen Wasser und Dampf erfolgt. Die mit diesem Drossel- und Mischvorgang verbundene ungeordnete Strö mung ist mit unerträglich starken Geräuschen und nicht selten auch mit gefährlichen Vibrationen ver bunden.
Deshalb ist es notwendig, diesen Ventilen Drossellabyrinthe nachzuschalten, die bei vollem Durchsatz den überwiegenden Anteil des Druckgefäl les vernichten und darüber hinaus wie Füllkörper wirken, die die restlichen Tropfen zur Nachverdamp fung bringen. Wegen der quadratischen Abhängigkeit des Drosselverlustes der Labyrinthe von Dampf durchsatz, ergeben sich bei kleinem Dampfdurchsatz Regelschwierigkeiten und starke Expansionsgeräu sche.
Die Erfindung vermeidet die Nachteile der be kannten Bauarten dadurch, dass erfindungsgemäss die Erweiterung des Strömungsraumes @so stark ist, dass .durch die Expansion des Dampfes ,der Druck auf einen Wert abfällt, der erheblich unter dem liegt, der zum Ausstossen der Dampfmenge mit Unterschallge schwindigkeit notwendig ist,
dass am Ende dieses Strömungsraumes ein Hindernis und/oder eine kon kave Kante zur Erzeugung des fehlenden Druckes durch Verdichtungsstoss vorhanden ist und dass eine Einrichtung zum Einspritzen des Kühlwassers unmit telbar vor die Verdichtungsfront vorgesehen ist.
Die Verdampfung innerhalb der Verdichtungs front ermöglicht sogar die Kühlung bis hinunter zum Sattdampfzustand, weil jegliche Feuchte von der Verdichtungsfront zurückgehalten wird, denn die Wassertröpfchen werden durch den Druckanstieg am Eindringen in den Bereich höheren Druckes gehin- dert.
Wegen der starken Entspannung des Dampfes und der damit verbundenen Temperatursenkung ist es möglich, unmittelbar an das niederdruckseitige Ventilgehäuse einen mit Heisswasser aus dem Speise- wasserbehälter beaufschlagten Servomotor anzubrin- gen, der das Ventil betätigt. Der ventilseitige Zylin derraum des Servomotors kann dabei Verbindung mit der Kühlwasserzufuhr des Dampfumformventils haben, so dass sich dampfseitig eine Stopfbuchse er übrigt, insbesondere wenn das als Kühlwasser die nende Speisewasser längs des Ventilschaftes einge spritzt wird.
Das erfindungsgemässe Dampfumform- ventil arbeitet nur mit dem Kühlwasser und seinem relativ niedrigen Druck und benötigt keine weiteren Hilfsmittel, so dass es besonders betriebssicher ist.
Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert, die einen. Längsschnitt durch ein Dampf- umdormventil zeigt.
Der zu entspannende und zu kühlende Heiss- dampf tritt durch einen Stutzen 1 in das Ventilge häuse 2 ein. Der Strömungsraum 3 um den Ventil schaft 4 ist so ausgebildet, dass er wie eine Laval- Düse die Dampfströmung durch Expansion auf überschallgeschwindigkeit beschleunigt.
Die obere F räche 5 einer Führungsnabe 6 verengt den Strö mungsraum 3 plötzlich, so dass sich eine Verdich tungsfront 7 ausbildet, in der die überschallströmung unstetig in eine Unterschallströmung höheren Druk- kes übergeht.
Der Ventilschaft 4 besitzt vorzugsweise schraubenförmig angeordnete Drosselschlitze 8 für die Kühlwasserzufuhr. Das durch einen Stutzen 9, einem Ringraum 10 und die Drosselschlitze 8 in den Strömungsraum 3 eintretende Kühlwasser gelangt unmittelbar vor die Verdichtungsfront 7, wo der Dampfdruck und die Temperatur stark gesenkt sind und der Dampf in manchen Fällen schon nass ist. Durch den schraubenden Eintritt des Wassers wird dieses radial ausgebreitet. Bei Verwendung von Heisswasser, z. B.
Kesselspeisewasser, ist der Ver- dampfungsdruck des Kühlwassers höher als der Dampfdruck vor der Verdichtungsfront 7, was zur Folge hat, dass die Wassertröpfchen durch innere Dampfbildung ;platzen und idann erst in :die Verdich tungsfront 7 gelangen, wo sie restlos zerschmettert und verdampft werden.
In einem an die Verdich tungsfront 7 anschliessenden Strömungsraum 11 herrscht Unterschallgeschwindigkeit. Zur Gleichrich tung der Strömung und zur Abstützung einer Glok- kenwand 12 sind auf der Führungsnabe 6 Rippen 13 angeordnet, die die Strömung in den Niederdruck raum 14 leiten, von wo der Dampf in einen Austritts stutzen 15 gelangt. An einem Anschlussdeckel 16 ist ein Servozylinder 17 angeordnet, in dem sich ein Kolben 18 bewegen kann. Im Zylinderraum 19 herrscht der gleiche Druck wie im Ringraum 10.
Im Zylinderraum, 20 herrscht ,dagegen ,ein .durch einen Druckregler 21 modifizierter Druck, der den Kolben 18 zu einer Bewegung gegen die Kraft der Feder 22 veranlasst, wenn der zu regelnde Dampfdruck sinkt. Die Drosselschlitze 8 sind so geformt, dass das Was- ser/Dampf-Verhältnis ibei der Hubbewegung .des Ven tilschaftes 4 konstant bleibt, was eine trägheitsarme Regelung der Dampftemperatur gewährleistet.
Die Dampftemperatur wird dadurch geregelt, dass der Regler 23 den am Stutzen 9 herrschenden Kühlwas- serdruck verändert.