DE19649553A1

DE19649553A1 - Dampfumformer

Info

Publication number: DE19649553A1
Application number: DE19649553A
Authority: DE
Inventors: Tony Leonard King
Original assignee: Komax Systems Inc
Current assignee: Komax Systems Inc
Priority date: 1995-11-30
Filing date: 1996-11-29
Publication date: 1997-06-19
Also published as: US6276823B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung, die als Dampfumformer bzw. im englischsprachigen Raum als Desuperheater bekannt ist. Es ist seit langem bekannt, daß überheizter Dampf eine ausgezeichnete Energiequelle ist, jedoch ist für bestimmte Anwendungen gesättigter Dampf oder Dampf mit lediglich einem beschränktem, überheiztem Anteil erwünscht. Als solche betrifft die Erfindung eine verbesserte Einrichtung zur Verminderung des überheizten Zustands des Dampfes auf ein annehmbares Maß.

Wenn Dampf aus Wasser gewonnen wird, bleibt dessen Temperatur die gleiche wie die des Wassers. Es besteht ein spezifisches Verhältnis zwischen der Dampftemperatur und dem Druck unter gesättigten Bedingungen. Als solcher kann gesättigter Dampf lediglich Energie durch Entnahme des Dampfes aus direktem Kontakt mit Wasser durch Zugabe von mehr Hitze zum Dampfvolumen aufnehmen, wie beispielsweise in einem Überhitzer eines Dampfkessels. Dampf kann beispielsweise bei einer Temperatur von 600°F und einem Druck von 300 psi erzeugt werden, welches etwa 190° Überhitzung entspricht. Eine typische Anwendung am Verwendungs- oder Arbeitspunkt des Dampfes könnte ein Röhrenwärmetauscher sein, der am effektivsten arbeitet, wenn der größte Teil der Dampfüberhitzung beseitigt wird, bevor dieser den Wärmetauscher betritt, so daß der Dampf seine Kondensationswärme abgeben kann. Falls dies nicht getan wird, wird der Dampf einfach als Gas durch den Wärmetauscher treten, und es wird eine sehr geringe Wärmeübertragung auf die Wärmetauscherröhren stattfinden. Bei einer derartigen Anwendung wäre eine verbleibende Überhitzung von ungefähr 10°F tolerierbar, während andere Einrichtungen auch höhere Gradzahlen von Überhitzung tolerieren können, welches die präzise Temperatursteuerung vereinfacht.

Eine große Vielfalt von Dampfumformerkonstruktionen steht zur Verfügung. Die meisten kühlen den Dampf oder formen diesen durch Injektion von Sprühwasser in das Dampfrohr in der gleichen Richtung, in die der Dampf strömt um. Beispielsweise stellen Copes-Vulcan eine Anzahl von Dampfumformerkonstruktionen her. Die vielleicht direkteste Konstruktion besteht aus einem einfachen mechanischen Dampfumformer vom Sprühtyp, der aus einem Hauptrohr und einer Sprühdüse besteht. Kühlwasser strömt durch das Hauptrohr zur Düse, welche Wassertröpfchen in der Richtung der Dampfströmung injiziert, um die schnelle Absorption des flüssigen Wassers zu erreichen.

Ein anderer Typ des Dampfumformers umfaßt eine Dampfsprüheinrichtung, die einen Sprühkopf mit einer Serie von in einem Kreis angeordneten Düsen enthält. Atomisierter Dampf aus einer Quelle mit hohem Druck wird durch die Dampföffnungen der Einrichtung unter einem rechten Winkel zu den radialen Kühlwasseröffnungen geführt, wobei alle Kühlwasserdüsen sprühen. Das Kühlwasser wird bei hoher Geschwindigkeit mit kleiner Tröpfchengröße in den Dampfkopf gesprüht, wo dieses verteilt und verdampft wird.

Ein nochmals weiterer Typ von Dampfumformer wird mit einer variablen Öffnung bereitgestellt, welche ein Gehäuse mit selbstregelnder Öffnung umfaßt. Diese Öffnung besteht aus einem kreisförmigen Sitz mit einem Stöpsel, der durch eine Stöpselführung in konzentrischer Stellung gehalten wird. Kühlwasser tritt in die Kammer mit der Öffnung ein und wird entlang deren Umfang gleichförmig verteilt. Die in den überhitzten Dampf injizierte Wassermenge wird durch ein membranbetätigtes Ventil gesteuert, welches durch eine Temperatursteuereinrichtung betrieben wird.

Im allgemeinen sind die meisten herkömmlichen Einrichtungen in Umgebungen angeordnet, in welchen Dampfgeschwindigkeiten im Bereich von 30 bis 300 Fuß/Sekunde liegen. Düsenspraymuster sind häufig konisch, und Düsen- Wassergeschwindigkeiten müssen aus zwei Gründen hoch sein. Erstens muß vermieden werden, daß der Impuls des Dampfes das Sprühmuster in einem mittigen Kernbereich kollabieren läßt. Somit muß die Düsenaustrittsgeschwindigkeit höher als die Dampfgeschwindigkeit liegen. Zweitens muß eine hohe Düsengeschwindigkeit entlang des Wasserströmungsbereichs aufrecht erhalten werden, um kleinen Wassertröpfchen zu erzeugen, welche einen hohen Kontaktierungswirkungsgrad ergeben. Wie aus der vorstehenden Beschreibung zu ersehen ist, werden mit verbesserten Wirkungsgraden die Düsenanordnungen entsprechend komplizierter. Sehr hohe Düsengeschwindigkeiten führen zur Notwendigkeit von Stellit- Düsenkonstruktionen, um die Düsenerosion zu minimieren. Die Erosion des Rohrs kann ebenfalls ein Problem darstellen, und spezielle Auskleidungen wurden eingesetzt, um mit derartigen Situationen zurecht zukommen.

Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung zur Verbesserung der Wirkung von Dampfumformern, unabhängig von den verschiedenen Umgebungen, in welchen derartige Einrichtungen verwendet werden, bereitzustellen.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbesserung für Dampfumformer in der Form einer bewegungsfreien Mischanordnung ohne sich bewegende Teile bereitzustellen, die wenig kompliziert ist und nicht der Verschmutzung oder dem Ausfall bei Verwendung in schwierigen Umgebungen unterliegt.

Diese und weitere Aufgaben sind in Zusammenschau mit der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung klarer zu erkennen, in welcher die einzige Figur die Einrichtung gemäß vorliegender Erfindung im Querschnitt zeigt.

Die Erfindung umfaßt einen Dampfumformer zur Verminderung des überhitzten Zustandes von Dampf, der innerhalb eines zylindrisch geformten Gefäßes bzw. Leitungsrohrs angeordnet ist. Das Rohr weist eine Längsachse und einen Kreisquerschnitt auf.

Der Dampfumformer wird bereitgestellt, um Wassertröpfchen in eine sich bewegende Strömung von überhitztem Dampf zu injizieren. Der Dampfumformer umfaßt einen Träger, der zur Längsachse ausgerichtet ist, wobei der Träger eine stromaufwärts und eine stromabwärts gelegene Fläche und eine Vielzahl von Öffnungen besitzt. Innerhalb der Öffnungen sind Mischelemente angeordnet, die dem überhitzten Dampf und den durch diese tretenden Wassertröpfchen eine Dreh- bzw. Winkelgeschwindigkeit verleihen. Der Dampfumformer ist ferner dadurch gekennzeichnet, daß alle Mischelemente den überhitzten Dampf und den durch diese tretenden Wassertröpfchen das gleiche Vorzeichen der Drehgeschwindigkeit bzw. die gleiche Drehrichtung verleihen.

Der Träger trägt einen Kegelstumpf, der von dessen stromaufwärts gelegener Fläche ausgeht. Der Konus ist zur Längsachse ausgerichtet. Ein Zuführungsarm geht von der Seitenwand eines Rohrs zum Kegelstumpf stromabwärts gelegen aus, welcher Zuführungsarm mit einer Bohrung, die innerhalb des Trägers entlang der Längsachse angeordnet ist, in Fluid- Kommunikation steht, um eine Fluidströmung von Wassertröpfchen in einer Richtung entgegen der Bewegungsrichtung des überhitzten Dampfs zu injizieren bzw. abzugeben, wobei die Abgabe der Wassertröpfchen von einer Öffnung stattfindet, die im wesentlichen im Scheitel des Kegelstumpfs angeordnet ist.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figur beschrieben. Der Dampfumformer ist mit dem zylindrisch geformten Gefäß T bzw. Rohr dargestellt. Alternativ ist der Dampfumformer 10 mit Flanschen 11 ausgestattet, die verwendbar sind, um entsprechende Flansche geeigneter Rohre, wie beispielsweise bei einem Zusatz element jedesmal dort, wo Dampfumformung benötigt wird, daran anzuordnen, um den überhitzten Zustand von durchtretendem Dampf zu vermindern.

Das Rohr 1 ist mit einer Längsachse 2 sowie mit einem Kreisquerschnitt versehen. Der Dampfumformer selbst wird bereitgestellt, um Wassertröpfchen in einer Richtung entgegengesetzt zur Strömung des überhitzten Dampfes, wie in der Figur dargestellt ist, zu injizieren.

Der Dampfumformer 10 umfaßt einen Träger 20, der eine stromaufwärts angeordnete Fläche 21 und eine stromabwärts angeordnete Fläche 22 enthält. Der Träger ist ebenfalls mit einer Vielzahl von Öffnungen 4 ausgestattet, wobei in den Öffnungen Mischelemente 5 angeordnet sind, die dem überhitzten Dampf und den durch diese tretenden Wassertröpfchen eine Winkel- bzw. Drehgeschwindigkeit verleihen.

Die Figur zeigt die Mischelemente 5 in der Form einer Helix bzw. Spirale, welche dem in dem Rohr 1 angeordneten Dampf und den aus der Austrittsöffnung 9 austretenden Wassertröpfchen die gleiche Winkel- bzw. Drehgeschwindigkeit verleihen.

Das stromabwärts gelegene Ende 22 des Trägers 20 ist im wesentlichen kegelförmig, während das stromaufwärts gelegene Ende 21 in der Form eines Kegelstumpfs ausgebildet ist. Sowohl das stromabwärts als auch das stromaufwärts gelegene Ende des Trägers 20 ist zur Längsachse 2 ausgerichtet. Wie aus der Figur zu ersehen ist, steht die Düse 8, die ebenfalls im wesentlichen die Form eines Kegelstumpfs hat, vom stromaufwärtsseitigen Ende 21 hervor, wobei das Düsenende 8 ebenfalls zur Längsachse 2 ausgerichtet ist.

Wie ferner aus der Figur zu ersehen ist, erstreckt sich der Zuführungsarm 6 radial von der Seitenwand des Rohrs 1 stromabwärts von der stromaufwärts gelegenen Fläche 21 und der Düse 8 aus. Durch den radialen Zuführungsarm 6 wird im wesentlichen flüssiges Wasser in Kommunikation mit der Bohrung 7, die innerhalb des Trägers entlang der Längsachse 2 angeordnet ist, zugeführt, um eine Fluidströmung von Wassertröpfchen in einer Richtung entgegengesetzt zur Richtung des sich bewegenden, überhitzten Dampfs zu geben, wie es in der Figur dargestellt ist.

Alternativ zu den schraubenförmigen Mischelementen 5 können Mischelemente, wie diese in den US-Patenten des Anmelders 3 923 288 und 4 034 965 beschrieben sind, verwendet werden, wobei der Inhalt dieser Patente durch Bezugnahme hier mit aufgenommen wird. Diese Mischelemente umfassen einen mittigen flachen Abschnitt, erste und zweite Ohren, die an deren Außenrand rund oder in anderer Weise ausgebildet sind, um im wesentlichen in die Öffnungen 4 zu passen, und die aufwärts und abwärts des mittigen flachen Abschnitts gebogen sind. Ein zweites Paar von Ohren ist ebenfalls an der gegenüberliegenden Seite des flachen Abschnitts bereitgestellt und wiederum jeweils aufwärts und abwärts gebogen. Derartige Elemente können beispielsweise aus einem einzelnen flachen Blech durch einen Stanzvorgang hergestellt werden.

Unabhängig von den speziellen eingesetzten Mischelementen ist es bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung wichtig, daß alle Mischelemente dem überhitzten Dampf und den durch diese tretenden Wassertröpfchen die gleiche Dreh- bzw. Winkelgeschwindigkeit verleihen. Wenn so der überhitzte Dampf und die Wassertröpfchen entlang der Längsachse 2 des Rohrs 1 hindurchtreten, werden diese in Kontakt mit den Mischelementen 5 gebracht, welche in den Öffnungen 4 angeordnet sind, die um die Längsachse 2 symmetrisch beabstandet sind. In idealer Weise sind sechs derartige Öffnungen und entsprechende Mischelemente bei einer typischen Anwendung symmetrisch um die Längsachse 2 beabstandet angeordnet. Wenn die Fluide mit den Mischelementen 5 in Kontakt treten, wird durch die Mischelemente der US-Patente 3 923 288 und 4 034 965 ein in Uhrzeigerrichtung weisender Geschwindigkeits- oder Rotationsvektor aufgeprägt, wobei der ebene Abschnitt jedes Mischelements den Drehvektor in einen seitlichen oder radialen Vektor umformt. Dem flachen Abschnitt folgend prägen die Ohrelemente einen weiteren, in Uhrzeigerrichtung weisenden Geschwindigkeitsvektor auf, der einen Teil zum seitlichen oder radialen Vektor hinzu addiert. Die Ohren prägen ebenfalls den sich längs bewegenden Materialien einen im wesentlichen einwärts gerichteten, radialen Geschwindigkeitsvektor auf, wobei das verbleibende Ohrenpaar einen im wesentlichen auswärts gerichteten, radialen Geschwindigkeitsvektor aufprägt. Wenn sechs gleich große und gleich beabstandete Öffnungen 4 bereitgestellt werden, wird die Strömung durch das Rohr 1 in zwölf Wege geteilt und tritt als sechs Strömungen aus, die alle stark in der gleichen Richtung rotieren. Dies erzeugt sechs primäre und viele sekundäre Auftreff- und Mischzonen am Ausgang des Trägerelements 20, welches exzellente Kontaktierung zwischen den Wassertröpfchen und dem überhitzten Dampf zur Verfügung stellt. Es ist festzuhalten, daß die meisten herkömmlichen Umformer eine lange Rohrstrecke stromabwärts gerichtet benötigen, um die geeignete Mischung und Kontaktierung von Dampf und Wasser zu bewirken, welches auf deren geringen Kontaktierungswirkungen beruht. Im Gegensatz dazu benötigt der Dampfumformer der vorliegenden Erfindung lediglich eine kurze Strecke zwischen dem Ausgang des Trägers 20 und einem stromabwärtigen Temperatursensor.

Dampfumformer gemäß vorliegender Erfindung stellten sich als hocheffizient heraus, während diese relativ niedrige Druckabfälle aufweisen. Im speziellen wird der Druckabfall des Dampfumformers gemäß vorliegender Erfindung durch die nachfolgende Gleichung charakterisiert:

dP = 8,32 × 10^-4 M²/psia D⁴ psi,

wobei

M = Strömungsgeschwindigkeit in lb/Stunde,
psia = der absolute Betriebsdruck,
D = Rohrinnendurchmesser in Zoll ist.

Beispielsweise ist für einen Strömungsdruck von 50 psig (65 psia), einer Strömungsgeschwindigkeit bzw. -rate von 3500 lb/Stunde und einer Rohrgröße von 8 Zoll der Druckverlust entlang des beschriebenen Dampfumformers lediglich 0,03 psi.

Ferner sind die Anforderungen an die Wasserströmungsgeschwindigkeit bzw. -rate, die für eine vorgegebene Verminderung der Überhitzung erforderlich sind, vorteilhaft gegenüber Dampfumformern des Standes der Technik. Im speziellen können die Anforderungen an die Wassergeschwindigkeit bzw. Strömungsrate an den Dampfumformer der vorliegenden Erfindung durch die nachfolgende Gleichung dargestellt werden:

Q = 0,002 M_s (E₁ - E₂)/(E₂ - E_w) gpm,

wobei

M_s = die Strömungsgeschwindigkeit in Pfund pro Stunde,
E₁ = die Enthalpie des überhitzten Dampfes in BTU/Pfund,
E₂ = die Enthalpie des enthitzten Dampfes,
E_w = die Enthalpie des hinzugegebenen Wassers ist.

(wobei Enthalpiewerte aus Dampftabellen oder aus einem Mollier-Diagramm entnehmbar sind).

Als Beispiel der Wasserströmungsgeschwindigkeits anforderungen der vorliegenden Erfindung ergibt sich bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 25 000 lb/Stunde, welche in den vorliegenden Dampfumformer bei einem Druck von 235 psig (250 psia) und einer Temperatur von 600°F eintritt, falls der Druckverlust durch den Dampfumformer 5 psi beträgt, die benötigte Wasserströmungsgeschwindigkeit, die erforderlich ist, um eine Austrittstemperatur von 410°F zu ergeben:

Q= 0,002 × 25000 (1318,4 - 1208,3)/(1208,3 - 167,99) = 5,29 gpm.

Wie ferner vorstehend angegeben wurde, besteht ein Konstruktionskriterium darin, daß die von dem Düsenauslaß 9 austretenden Wassertröpfchen stromaufwärts entgegen der Strömungsrichtung des überhitzten Dampfes gerichtet werden. Somit muß sich die axiale Geschwindigkeit aus der Sprühdüse vermindern, anhalten und umkehren. Somit ist die Maximalgeschwindigkeit, welche die Wassertröpfchen erreichen können, nicht höher als die umgebende Geschwindigkeit des überhitzten Dampfes.

Es wurde vorstehend eine Einrichtung, insbesondere ein Dampfumformer, zur Verminderung des überhitzten Zustandes von Dampf innerhalb eines zylindrisch geformten Gefäßes beschrieben. Der Dampfumformer injiziert Wassertröpfchen entgegengesetzt zur Richtung des sich bewegenden, überhitzten Dampfes innerhalb des Gefäßes.

Stromabwärts des Wassertröpfchenauslasses ist ein Träger angeordnet, der zur Längsachse des Gefäßes bzw. des Rohrs angeordnet ist, um eine Serie von getrennten Mischelementen bereitzustellen, die alle den hindurchtretenden Fluiden die gleiche Drehrichtung verleihen.

Claims

1. Einrichtung, insbesondere Dampfumformer, zur Verminderung des überhitzten Zustands von Dampf, der innerhalb einer zylindrisch geformten Röhre angeordnet ist, wobei die Röhre eine Längsachse und einen Kreisquerschnitt aufweist, wobei die Einrichtung Wassertropfen in eine sich bewegende Strömung von überhitztem Dampf injiziert, wobei die Einrichtung einen Träger umfaßt, der entlang der Längsachse ausgerichtet ist, wobei der Träger eine stromaufwärts und eine stromabwärts angeordnete Fläche und eine Vielzahl von Öffnungen hat, wobei in den Öffnungen Mischelemente angeordnet sind, die den überhitzten Dampf und den durch diese tretenden Wassertröpfchen eine Winkelgeschwindigkeit verleihen, wobei die Einrichtung ferner dadurch gekennzeichnet ist, daß im wesentlichen alle Mischelemente dem überhitzten Dampf und den durch diesen tretenden Wassertröpfchen das gleiche drehrichtungsbezogene Vorzeichen bzw. die gleiche Drehrichtung verleihen, wobei der Träger einen Kegelstumpf trägt, der von der stromaufwärts gelegenen Fläche von diesem ausgeht und zur Längsachse ausgerichtet ist, einen Zuführungsarm umfaßt, der radial von der Seitenwand des Trägers stromabwärts des Kegelstumpfes ausgeht, der in Fluidkommunikation mit einer Bohrung steht, die innerhalb des Trägers entlang dessen Längsachse angeordnet ist, um einen Fluidstrom von Wassertröpfchen in eine Richtung entgegen der Richtung des sich bewegenden überhitzten Dampfes abzugeben, wobei die Abgabe von Wassertröpfchen von einer aus Öffnung stattfindet, die im wesentlichen am Scheitelpunkt des Kegelstumpfs angeordnet ist.

2. Dampfumformer nach Anspruch 1, bei welchem sechs der Öffnungen im Träger ausgebildet sind, wobei die Öffnungen symmetrisch um die Längsachse beabstandet sind und jeder Öffnung ein Mischelement zugeordnet ist, welches dem überhitzten Dampf und den durch dieses tretenden Wassertröpfchen eine Winkeldrehgeschwindigkeit verleiht.

3. Dampfumformer nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem jedes Mischelement in Form einer Helix ausgebildet ist, welche dem überhitzten Dampf und den durch dieses tretenden Wassertröpfchen die gleiche Winkeldrehgeschwindigkeit verleiht.

4. Dampfumformer nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei welchem jedes Mischelement einen flachen, rechteckförmigen, mittigen Abschnitt umfaßt, der einen ersten und einen zweiten Satz von Ohren, benachbart zu gegenüberliegenden Seiten des mittigen Abschnitts umfaßt, wobei die Sätze von Ohren erste und zweite, relativ zur Ebene des mittigen Abschnitts aufwärts und abwärts gebogene Ohren umfassen.

5. Verfahren zum Umformen von Dampf in überhitztem Zustand, der innerhalb eines zylindrisch geformten Gefäßes bzw. Rohres angeordnet ist, wobei das Gefäß bzw. Rohr eine Längsachse und einen Kreisquerschnitt aufweist, wobei die Einrichtung Wassertröpfchen in eine sich bewegende Strömung von überhitztem Dampf injiziert, wobei die Einrichtung einen Träger umfaßt, der zur Längsachse ausgerichtet ist, wobei der Träger eine stromaufwärts und eine stromabwärts gelegene Fläche und eine Vielzahl von Öffnungen hat, wobei innerhalb der Öffnungen Mischelemente angeordnet sind, die dein überhitzten Dampf und den durch diese tretenden Wassertröpfchen eine Winkeldrehgeschwindigkeit verleihen, wobei die Einrichtung ferner dadurch gekennzeichnet ist, daß alle Mischelemente dem überhitzten Dampf und den durch diese tretenden Wassertröpfchen das gleiche drehrichtungs-bezogene Vorzeichen bzw. die gleiche Drehrichtung verleihen, wobei der Träger einen Kegelstumpf trägt, der von der stromaufwärts gelegenen Fläche von diesem ausgeht und zur Längsachse ausgerichtet ist, wobei ein Zuführungsarm von der Seitenwand des Trägers stromabwärts des Kegelstumpfs radial ausgeht, der in Fluidkommunikation mit einer Bohrung steht, welche innerhalb des Trägers entlang dessen Längsachse angeordnet ist, um eine Fluidströmung von Wassertröpfchen in eine Richtung entgegen der Richtung des sich bewegenden, überhitzten Dampfes abzugeben, wobei die Abgabe von Wassertröpfchen aus einer Öffnung erfolgt, die im wesentlichen im Scheitel des Kegelstumpfs liegt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem die Wassertröpfchen und der überhitzte Dampf veranlaßt werden, durch sechs Öffnungen zu treten, die innerhalb des Trägers angeordnet sind, wobei die Öffnungen symmetrisch um die Längsachse angeordnet sind, wobei jede Öffnung ein Mischelement beherbergt, welches dem überhitzten Dampf und den durch dieses tretenden Wassertröpfchen eine Winkeldrehgeschwindigkeit verleihen kann.

7. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem jedes Mischelement in Form einer Helix bzw. Schraube ausgebildet ist, welche dem überhitzten Dampf und den durch dieses tretenden Wassertröpfchen die gleiche Winkeldrehgeschwindigkeit verleiht.

8. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem jedes Mischelement einen flachen, rechteckförmigen, mittigen Abschnitt umfaßt, der einen ersten und einen zweiten Satz von Ohren an gegenüberliegenden Seiten des Mittenabschnitts hat, wobei der Satz von Ohren erste und zweite Ohren umfaßt, die relativ zur Ebene des Mittenabschnitts aufwärts und abwärts geneigt sind.