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Verfahren und Einrichtung zur Phasenumwandlung von dem dampfförmigen in den flüssigen Zustand Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Phasenumwandlung eines Stoffes von dem dampfförmigen in den flüssigen Zustand und bezweckt die Erhöhung der Dampf konden- sationsgeschwindigkeit.
Verfahren zur Dampf-Flüssig-Phasenumwandlung sind sowohl in der Industrie als auch im Haushalt von ausserordentlicher Bedeutung. Die Anwendungen in Turbinenkraftanlagen, Kühlanlagen, Destillierungs- prozessen, chemischen Prozessen sowie in Haushaltungen z. B. bei Geschirrwaschmaschinen können lediglich als Beispiele für die weite Verbreitung dieses Verfahrens betrachtet werden.
Bei allen diesen Anlagen ist es einmal erforderlich, einen Dampf zu einer Flüssigkeit zu kondensieren. Die wichtigste und bekannteste der oben aufgezählten Anwendungen ist vermutlich die bei Turbinenkraftanlagen. Bei derartigen Anlagen muss der von der Turbine kommende Dampf in das Kondensat verwandelt werden, wobei sich dieser Prozess in einem Kondensator abspielt.
Derartige Wasserdampfkondensatoren können entweder nach dem Kontaktprinzip oder nach dem Flä- chenkühlprinzip arbeiten. Im ersten Falle erfolgt die Kondensation durch einen direkten Kontakt zwischen dem Wasserdampf und dem Kühlwasser, im zweiten Fall erfolgt die Kondensation an gekühlten Metallwänden, welche somit als Wärmeaustauschflächen dienen und gleichzeitig verhindern, dass sich der Dampf mit dem Kühlmedium vermischt. In einem wassergekühlten Flächenkondensator fliesst das Wasser durch eine Reihe von in dem Kondensator angeordneten Röhren, wobei der zu kondensierende Dampf in Kontakt mit den Aussenseiten der Rohre gebracht wird, so dass diese Aussenflächen als Wärmeaustauschflächen arbeiten.
Bei der Kondensation an Wärmeaustausch- flächen ist es erforderlich, dass eine von den beiden folgenden Bedingungen eingehalten wird: entweder müssen Kondensationskerne in dem Kondensator vorgesehen sein, oder die relative Feuchtigkeit muss in dem Kondensator einen äusserst hohen Wert besitzen (etwa 400/), so dass der Dempf spontan kondensiert.
In der Praxis bestehen die Kondensationskerne in dem Kondensator in Verunreinigungen an den Wärmeaustauschflächen oder in Streukondensations- kernen, welche durch Undichtigkeiten bei Flanschen, Dichtungen usw. in den Kondensator gelangen. Diese bekannten Kondensatoren, welche nur die zufällig an den Wärmeaustauschflächen vorhandenen und durch Undichtigkeiten in den Kondensator eingedrungenen Kondensationskerne verwenden, enthalten Kondensationskerne oft nicht in dem wünschenswerten Ausmass, welches der durch die Grösse der Wärmeaustauschflächen gegebenen Kondensationsgeschwindigkeit bzw. Kondensatmenge entspräche.
Als Kondensationskerne werden allgemein kleine Partikel bezeichnet, welche sich durch die Fähigkeit auszeichnen, dass z.B. Wasser an ihnen kondensieren kann, so dass sich einzelne Tröpfchen bilden. Der Ausdruck Kondensationskern umfasst mikroskopische und submikroskopische Partikel, und zwar in einem Grössenordnungsbereich zwischen angenähert 2,5.10-7 Zentimeter Radius und 1 - 10-5 cm Radius.
In der Nähe von elektrischen Lichtbögen sind Kondensationskerne in äusserst hoher Konzentration vorhanden. Es wird angenommen, dass bei den bei hohen Temperaturen - bis zu 3000 K - brennenden Lichtbögen das Elektrodenmaterial verdampft und sich in der Umgebung diffus verteilt. Dieses verteilte Material kühlt sich äusserst schnell ab, womit eine grosse Zahl von äusserst kleinen Partikeln entsteht, deren Radius nur einige Angström ausmacht (1 Ang-
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ström = 10-$ cm). Die pro Entladung entstandene Zahl von Partikeln liegt in der Grössenordnung von 1013.
Diese durch die Entladung gebildeten Partikel beginnen sofort sich bei Zusammenstössen zu rekom- binieren. Die Rekombinationsgeschwindigkeit ist ausserordentlich hoch; sie ist eine Funktion des Quadrates der vorhandenen Partikel und ferner ihrer durchschnittlichen kinetischen Energie. Nach nur wenigen Mikrosekunden sind die meisten Partikel bereits ein- oder mehrmal mit andern Partikeln zusammengestossen und haben sich somit grösseren Partikeln rekombiniert. Dieser Rekombinationsprozess setzt sich fort, wobei die entstehenden grösseren Partikel einen Radius von etwa 10-s cm erhalten.
Nach einigen Millisekunden enthält die Luft in der Umgebung der Elektroden, zwischen welchen die Entladung stattfand, mehrere Millionen Partikel, deren Radius zwischen 10-$ cm und 10-4 cm liegt, wobei jedoch der grösste Teil in einem Bereich zwischen 10-' cm Radius und 10-s cm Radius liegt. Diese metallischen, durch einen elektrischen Lichtbogen erzeugten Partikel wirken als Kondensationskerne, so dass ein Lichtbogen als eine sehr günstige Quelle für Kondensationskerne verwendet werden kann.
Bei der Verwendung einer derartigen Quelle für Kondensationskerne und bei der Einführung dieser Kerne in dem Dampfraum eines Kondensators kann somit eine wesentliche Erhöhung der Kondensationsgeschwindigkeit bzw. Kondensatmenge erzielt werden.
Bei dem Verfahren gemäss der vorliegenden Erfindung wird somit zur Phasenumwandlung von dem dampfförmigen in den flüssigen Zustand ein Dampf in einen abgeschlossenen Raum eingeführt und bei Anwesenheit von Kondensationskernen Wärme von dem Dampf zur Kondensation desselben abgeführt. Es ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensationskerne durch elektrische Entladungen zwischen Elektroden aus dem Elektrodenmaterial gewonnen werden.
Verfahren und Einrichtung sollen anschliessend anhand der beiliegenden Zeichnungen beispielsweise näher erläutert werden. Es zeigen: Fig. 1 einen Wasserdampfkondensator, teilweise im Schnitt, Fig.2 ein vergrösserter Ausschnitt aus der Darstellung der Fig. 2, Fig. 3 eine weitere Ausführungsmöglichkeit des in Fig. 2 dargestellten Teiles, und die Fig. 4 und 5 graphische Darstellungen zur Erläuterung der Wirksamkeit der Zuführung von Kondensationskernen.
In Fig. 1 ist eine Einrichtung zur Umwandlung von Wasserdampf in Wasser zur Erläuterung der Erfindung dargestellt. In diesem Kondensator ist eine Kammer 1 vorgesehen, in welchem sich die verdampfte Flüssigkeit, wie z. B. Wasserdampf, befindet. Die Kammer besteht aus einer äusseren Umhüllung oder Schale 2, welche im Querschnitt gezeigt ist, welche aus geschweisstem Stahl besteht und zur Erhöhung der Druckbeständigkeit verstärkt ist.
An der Oberseite des Kondensatorgefässes 2 ist eine Dampfeinlassöffnung 3 zur Zuleitung des unter geringem Druck stehenden Dampfes vorgesehen. Die Dampfeinlassöffnung 3 kann mit dem Auslassstutzen einer Turbine (nicht dargestellt) verbunden sein, beispielsweise mittels einer Ausgleichsrohrverbindung oder einer anderen dichten Verbindung. An den unteren Seitenwänden des Kondensatorgefässes sind zwei mit diesem in Verbindung stehende Stutzen 5 vorgesehen, welche an Luftabsaugpumperi angeschlossen werden können (nicht dargestellt), um Luft und nichtkondensierten Dampf aus dem Gefäss absaugen zu können.
An der Unterseite des Kondensatorgefässes ist ein Ablaufstutzen 6 vorgesehen, durch den das Kondensat den Kondensator verlassen kann.
In dem Kondensatorgefäss 2 sind hohle metallische Rohre 7 vorgesehen, welche sich axial durch das Gefäss erstrecken und während des Betriebes Kühlwasser zur Kondensierung wenigstens eines Teiles des Wasserdampfes in dem Gefäss 2 führen. Zur Kühlwasserzuführung sind zwei Stutzen 8 vorgesehen, während das warme, bereits durch die Rohre 7 geflossene Wasser durch zwei Stutzen 9 abgeführt wird, welche an dem oberen Abschluss des Gefässes vorgesehen sind.
Sowohl die Stutzen 8 und 9 als somit auch die Wärmeaustauschrohre 7 sind mit einer Wasserkammer bzw. End- kammer (nicht dargestellt) verbunden, welche an einem Ende des Kondensators vorgesehen ist und von welcher aus das Kühlwasser zugeführt und durch die Kühlrohre geschickt und anschliessend von diesen Kühlrohren durch die Stutzen 9 abgeführt wird. Auf diesem Wege wird ein kontinuierlicher Kühlwasserstrom durch die Rohre 7 geleitet, wodurch zwischen den Aussenflächen der Rohre und dem Dampf in der Kammer 2 ein Temperaturgefälle hervorgerufen wird. Die Rohre 7 arbeiten somit als Wärmeaustauscher und bewirken in Verbindung mit den an ihren Oberflächen vorhandenen Kondensationskernen eine Kondensation des in dem Kondensator vorhandenen Wasserdampfes.
Ferner ist eine Quelle von Kondensationskernen zum periodischen Einführen von Kernen in den Kondensationsraum vorgesehen, um auf diesem Wege in dem Dampfraum selbst in gleicher Weise wie an den Wärmeaustauschflächen eine Kondensation hervorzurufen. Zur Erlangung dieses Ergebnisses ist als Quelle für Kondensationskerne eine Einrichtung 10 zur Erzeugung eines elektrischen Lichtbogens innerhalb des Gefässes 2 vorgesehen. Die Ausbildung dieser Lichtbogeneinrichtung ist mehr im einzelnen aus Fig. 2 ersichtlich, welche einen vergrösserten Ausschnitt eines Teiles der Fig. 1 wiedergibt. Die Quelle für die Kondensationskerne besteht aus einer Anschlussplatte 11, welche an der Wand des Gefässes 2 mittels Bolzen oder ähnlicher Befestigungsmittel angebracht ist.
An der Anschlussplatte 11 sind zwei abstehende Isolatoren 12 aus Keramik oder Porzellan befestigt, in welchen Leiter 13 vorgesehen sind, welche ausserhalb der Isolatoren zwei etwas voneinander entfernte Entladungselektroden 14 bilden, die somit die Entladungsstrecke darstellen. Die Leiter 13 sind über Durchführungsisolatoren 15, welche in der Gefässwand angeordnet
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sind, mit einer elektrischen Spannungsquelle verbunden. Diese Spannungsquelle bewirkt eine Erregung der Entladungsstrecke zur periodischen Erzeugung von Kondensationskernen zwischen den Elektroden 14 der Entladungsstrecke. Die Spannungsquelle besteht in einem Eisenkerntransformator, welcher die Spannung hochtransformiert; er besitzt eine Primärwicklung 17 und eine Sekundärwicklung 18.
Die Primärwicklung 17 ist mit einer Wechselspannungsquelle 19 verbunden (nicht dargestellt), welche beispielsweise ein Lichtnetz mit einer Spannung von 115 V bei 60 Hz sein kann. Die Sekundärwicklung 18, die an die Leiter 13 angeschlos- sn ist, besitzt eine sehr grosse Zahl von Windungen, um somit die 115 V an der Primärwicklung auf eine Spannung hochzutransformieren, welche ausreicht zwischen den Elektroden eine Funkenentladung herbeizuführen.
Der Transformator 16 kann beispielsweise so ausgebildet sein, dass die an der Sekundärwicklung entstehende Spannung etwa 2000 V bei 60 Hz erreicht, da diese Spannung an den Elektroden 14 zur Hervor- rufung einer Funkenentladung ausreicht, die Kondensationskerne in Form von kleinen Partikeln aus Elek- trodenmaterial freiwerden lässt. Da die an den Elektroden 14 erscheinende Spannung eine Wechselspannung mit einer Frequenz von 60 Hz ist, entstehen pro Sekunde 120 Entladungen, von welchen jede eine grosse Zahl von Kondensationskernen zur Erhöhung der Kondensationsgeschwindigkeit des Wasserdampfes liefert.
Die Elektroden 14 und die Funkenstrecke sind von einem hohlen, geschlitzten, rohrförmigen Teil 20 umgeben, welches verhindert, dass das verdampfte Elek- trodenmaterial in den Dampfraum hinausdiffundiert und somit dafür sorgt, dass das verdampfte Material zu relativ grossen Kondensationskernen dadurch rekom- biniert, dass die Partikel zunächst nahe beieinandergehalten werden, da die Rekombinationswahrschein- lichkeit hierdurch ansteigt.
Es ist somit auf diesem Wege bis zu einem bestimmten Ausmass möglich, die Grösse derjenigen entstehenden Kondensationskerne zu steuern, welche in den Dampfraum des Konden- sators gelangen, und somit auch den Wirkungsgrad des. gesamten Prozesses zu beeinflussen.
Eine andere Quelle von Kondensationskernen ist in Fig. 3 dargestellt. Diese gegenüber der in den in Fig. 1 und 2 dargestellten Kondensationskernquelle unterschiedliche Quelle enthält ein elektromagnetisches Relais, in welchem zwei Kontakte bzw. Elektroden periodisch zur Erzeugung von Kondensationskernen durch elektrische Funkenbildung angeregt werden. Die in Fig. 3 dargestellte Quelle 10 für Kondensationskerne enthält eine Anschlussplatte 31, welche an der Wand 2 des Kondensators befestigt ist. An dem oberen Ende der Anschlussplatte 31 sind die Anschlusskontakte 32, 33, 34 und 35 vorgesehen.
Der Kontakt 32 ist elektrisch mit einem feststehenden Kontaktorgan 36 verbunden, welches auf der Anschlussplatte befestigt ist. Der Anschlusskontakt 35 ist mit einem durch eine Feder zentrierten Kontaktarm 38 verbunden, welcher einen Kontakt 37 trägt. Gegenüber dem Kontaktarm 38 ist ein Elektromagnet 39 auf der Anschlussplatte befestigt, welcher die Kontakte 36 und 37 periodisch ein- und ausschalten kann. Die Anschlussenden der Spule des Elektromagneten sind mit den Anschlusskontakten 33 und 34 verbunden.
Die Anschlusskontakte 32, 33, 34 und 35 sind über eine in der Kondensatorwand vorgesehene Durchführungsisolierung 40 mit zwei äusseren elektrischen Stromkreisen verbunden, deren Aufgabe es ist, den Elektromagneten des Relais 39 zu betätigen bzw. einen eine Belastung enthaltenden Stromkreis für die Kontaktorgane vorzusehen. Die Anschlusskontakte 32 und 35 sind mit einem eine Belastung enthaltenden Stromkreis 41 verbunden, welcher eine Belastung 43 aufweist und welcher einen Stromfuss durch die Kontakte 36 und 37 bewirkt, wenn diese geschlossen sind.
Die Anschlusskontakte 33 und 34 sind mit einem zur Betätigung des Elektromagneten vorhandenen Stromkreis verbunden, welcher den Elektromagneten periodisch zur Betätigung der Kontaktorgane erregt. Der Stromkreis 42 des Elektromagneten enthält zwei Anschlussklernmen 46, welche mit einer zur Erregung des Elektromagneten geeigneten Spannungsquelle verbunden sind. Die Spannung gelangt dabei periodisch zu dem Elektromagneten, zu welchem Zweck ein Mikroschalter und eine Zeitschaltvorrichtung vorgesehen sind. Ein Schaltorgan 44, welches als Mikroschalter oder dergleichen ausgebildet sein kann, liegt in Serie mit einer Verbindungsleitung zwischen dem Elektromagneten 39 und einer der Anschlussklemmen 46.
Mit dem Schaltorgan 44 ist ein Zeitschaltmechanis- mus 45 mechanisch verbunden., welcher die Kontakte des Schaltorganes 44 periodisch öffnet und schliesst. Der Zeitschaltmechanismus 45 kann beispielsweise als rotierende Nocke oder dergleichen ausgebildet sein. Wenn die Kontakte des Schaltorganes 44 geschlossen werden, ist der Elektromagnet 39 an die Spannung der Anschlusskontakte 46 gelegt, so dass der Elektromagnet erregt wird und die Kontaktorgane 36 und 37 betätigt werden. Der Zeitschaltmechanismus kann dabei auf jede beliebige Betriebsfrequenz eingestellt werden.
Die in dem Kondensator vorgesehenen Schaltorgane können somit mit einer Schaltfrequenz betätigt werden, welche dem Bedarf an Kondensationskernen. zur Erhöhung der Kondensatmenge in dem Kondensator angepasst ist.
Wenn in den Dampfraum eines Kondensators Kondensationskerne in einer Menge eingeschickt werden, welche die normalerweise zwischen den Wärmeaustauschflächen vorhandene Menge von Kondensationskernen um mehrere Grössenordnungen übertrifft, findet bereits im Dampfraum eine Kondensation an den Kondensationskernen statt. Diese Kondensation tritt zusätzlich zu der Kondensation auf, welche normalerweise bei allen Kondensatoren an den Wärmeaustauschflächen stattfindet. Die Bildung von Wassertropfen in dem Dampfraum infolge von Kondensation an den Kondensationskernen bewirkt jedoch, dass Wärme infolge der Phasenumwandlung von Dampf zu Flüssigkeit frei wird.
Diese Wärme wird teilweise
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von den in dem Dampfraum gebildeten Wassertropfen aufgenommen, teilweise wird sie jedoch auch auf den Wasserfilm an den Wärmeaustauschflächen übertragen. Dass dies auftritt, wird daraus geschlossen, dass die zusätzlich in dem Dampfraum freiwerdende Wärme die Temperaturdifferenz zwischen dem Dampfraum und den Wärmeaustauschflächen erhöht. Es wird daher auch eine grössere Wärmemenge pro Flächeneinheit auf die Wärmeaustauschflächen übertragen.
Die Ergebnisse von Untersuchungen zur Bestimmung der Temperaturänderungen des Kühlwassers und des Kondensats sind in den graphischen Darstellungen der Fig. 4 und 5 aufgetragen. Diese Darstellungen zeigen deutlich den Einfluss der eingeführten Kondensationskerne auf die Temperatur. Bei der in Fig. 4 gezeigten graphischen Darstellung ist die Zeit auf der Abszisse und die Temperatur auf der Ordinate aufgetragen. Die graphische Darstellung zeigt zwei Kurven Ti und T2. Die Kurve Tj. veranschaulicht das Ergebnis von Temperaturmessungen des Kühlwassers beim Zulaufstutzen des Kondensators, während die Kurve T2 die Ergebnisse von Temperaturmessungen des den Kondensator verlassenden, warmen Wassers wiedergibt.
Die Kurven T1 und T2 sind in drei Abschnitte a, b und c unterteilt.
Die Abschnitte a und c der Kurve wurden während Zeiten aufgenommen, in denen keine Kondensationskerne in den Dampfraum eingeschickt wurden, während der Abschnitt b in einer Zeitspanne aufgenommen wurde, während welcher durch einen Lichtbogen erzeugte Kondensationskerne in den Dampfraum eingeschickt wurden. Wie aus Fig. 4 ersehen werden kann, ändert sich die Temperatur. T1 des zugeführten Kühlwassers wie erwartet nicht, wenn Kondensationskerne in den Dampfraum eingeschickt werden, da die Temperatur dieses zugeführten Kühlwassers von einer äusseren Kühlwasserquelle abhängig ist, welche Wasser mit gleichbleibender Temperatur liefert.
Die Kurve T2 zeigt jedoch sehr deutlich, dass durch die Einführung von Kondensationskernen in den Dampfraum ein erheblicher Temperaturanstieg der Kühlflüssigkeit bei dem Ausgangsstutzen bewirkt wird. Hieraus ist zu entnehmen, dass eine grössere Wärmemenge von dem Kondensator mit der Kühlflüssigkeit während der Beschickung mit Kondensationskernen abgeführt wird.
Dies zeigt an, dass entweder ein grösseres Temperaturgefälle zwischen dem Dampfraum und den Wärmeaustauschflächen während der Zuführung von Kondensationskernen existiert, oder dass während dieser Zeitspanne eine höhere Wärmeübergangszahl erreicht wird, oder beides, da experimentell nachgewiesen wurde, dass die von dem Lichtbogen zugeführte Wärme nicht für den beobachteten Temperaturanstieg verantwortlich gemacht werden kann.
Die in Fig. 5 gezeigte graphische Darstellung ist ähnlich wie die in Fig. 4 gezeigte Darstellung, jedoch mit der Ausnahme, dass eine zusätzliche Kurve eingetragen wurde, welche die Temperatur des Kondensats zeigt. Die Zeit ist wieder auf der Abszisse, die Temperatur wieder auf der Ordinate aufgetragen. Die Kurve T; zeigt die Temperatur des zufliessenden Kühlwassers, die Kurve T2 die Temperatur des abfliessenden Kühlwassers und die Kurve T, die Temperatur des in den verschiedenen Zeitabschnitten entstandenen Kondensats. Aus Fig.5 kann ersehen werden, dass die Temperatur des Kühlwassers an dem Abflussstutzen beträchtlich ansteigt, wenn Kondensationskerne in den Dampfraum eingeschickt werden.
Die Kurve T, zeigt schliesslich, dass die Temperatur des Kondensats ebenfalls erheblich ansteigt, wenn Kondensationskerne in den Dampfraum eingeschickt werden.
Aus den aufgeführten Versuchsergebnissen kann entnommen werden, dass durch die Einführung von Kondensationskernen in ein Dampfförmig-Flüssig- Phasenumwandlungssystem eine erhebliche und wirksame Erhöhung der kondensierten Dampfmenge erzielt werden kann, ohne dass eine Vergrösserung der Wärmeaustauschflächen notwendig würde, was bisher zur Erlangung des gleichen Ergebnisses für erforderlich gehalten wurde.
Die im Einzelfall gewählte Quelle für Kondensationskerne hängt von der Anwendbarkeit und der Ausführbarkeit im Zusammenhang mit dem gegebenen Einzelfall ab.
Bei den bevorzugten in den Fig. 1-3 gezeigten Ausführungsbeispielen ist die Quelle der Kondensationskerne in dem Dampfraum angeordnet. Es sei jedoch erwähnt, dass die Quelle auch ausserhalb des Dampfraumes vorgesehen sein kann, wobei die Kondensationskerne dann über ein Leitungssystem in den Dampfraum geschickt werden. Bei bestimmten Anwendungen, wo der Betrieb der Quelle für die Kondensationskerne nur schwer aufrechterhalten werden kann, ist eine derart abgeänderte Konstruktion vorzuziehen.
Die Erfindung wurde ferner im Zusammenhang mit einem Dampf-Wasser-Kondensator bei einer Dampfturbine beschrieben. Die Anwendbarkeit der Erfindung geht jedoch hierüber hinaus. Das Verfahren bzw. die Einrichtung kann auch bei Destillationsprozessen, Kälteprozessen, Trockenkammern von Geschirrwaschmaschinen sowie vielen anderen Prozessen und Einrichtungen verwendet werden, bei welchen eine Änderung des Aggregatszustandes eines Stoffes von Dampfform in den flüssigen Zustand erforderlich ist.
Selbstverständlich können auch andere Stoffe als Wasser durch Kondensationskerne von dem dampf- förmigen in den flüssigen Zustand überführt werden. So kann beispielsweise auch verdampftes Öl durch Kondensationskerne verflüssigt werden, sowie ferner Kühlflüssigkeiten wie Freon.