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Verfahren zum Betriebe von Dampfanlagen.
In neuerer Zeit ist man bestrebt, für Dampfbetriebe Hochdruckdampf über 20 Atm. zu verwenden.
Die Hochdruckdampferzeuger sind infolge ihres verhältnismässig geringen Wasserinhaltes gegen Belastungssehwankungen empfindlich. Zur Verbesserung der Elastizität des Kesselbetriebes hat man Hochdruek- dampferzeuger mit Niederdruckdampferzeugern kombiniert.
Ein derartiges Verfahren stellt eine wesent-
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betriebe von Hoehdruckkesseln und Dampfmaschinen. bei welchem die vorstehenden Schwierigkeiten, die besonders bei ortsbeweglichen Dampfanlagen stark fühlbar werden, vermieden werden sollen.
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die in Dampfmaschinen (Kohlendampfmaschinen, Dampfturbinen od. dgl. ) erfolgt, in zwei Hauptstufen derart zerlegt wird, dass der Hochdruckdampf zunächst in der ersten Hauptstufe auf einen Teildruck entspannt wird, bei welchem Teildruck er durch Abgabe seiner Wärme an Wasser der zweiten Stufe kondensiert, um dann durch Pumpen od. dgl. wieder dem Hoehdruckkessel zugeführt zu werden.
Durch Kondensationswärme des Dampfes der ersten Stufe wird das Wasser der zweiten Hauptstufe in Niederdruekdampf verwandelt, der wiederum in Niederdruckdampfmaschinen bis auf Atmosphärendruck oder Kondensatorspannung entspannt wird.
Dieses Verfahren hatte den Zweck, die Fliissigkeitswärme des mitgerissenen Wassers dem Betriebe zu erhalten und gleichzeitig dem feuerbeheizten Kessel reines, heisses Speisewasser zuzuführen.
Nach dem Erfindungsgedanken soll das Verfahren derart durchgeführt werden, dass die Belastungsschwankungen der Maschinenanlage vom Hochdruckkessel ferngehalten werden. Zu diesem Zwecke werden die beiden Seiten des Wärmeaustauschers, die Kondensatorseite und die Verdampferseite, mit grossem Wasserraum versehen, so dass eine doppelte Speicherwirkung erzielt wird, während gleichzeitig für den Hochdruckkessel ein Vorrat von warmem Speisewasser erreicht wird.
Die ist so zu verstehen, dass beispielsweise der Speisewasserzufluss zum Niederdruckspeiseraum gedrosselt oder ganz abgestellt wird, somit starke Dampfentwicklung im Niederdruckteil die Folge ist, ohne dass am Wärmezustand des Hoehdruekkessels etwas geändert wird. Der grösste Teil des Niederdruckdampfes oder der gesamte erzeugte Niederdruckdampf wird dann vom Heisswasservorrat der Niederdruckseite des Speichers bestritten. Zweckmässigerweise wird das zu speichernde Wasser der Niederdruckseite oberhalb der Wärmeaustausehfläche angeordnet, damit auch bei geringster Füllung des Speichers die Wärmeaustauschfläche voll wirksam bleibt.
Der Wasserraum auf der Hochdruckseite des Wärmeaustauschers wird zweckmässigerweise so tief angeordnet, dass die Wasserstandschwankungen desselben, die den Wasserstandsschwankungen im Hochdruckkessel entsprechen. die wirksame Wärmeaustauschflächenichtbeeinflussen.
Die SpeicherwirkuuK soll allen beliebigen Betriebsverhältnissen dadurch angepasst werden, dass das Verhältnis der Füllungen der Hochdruck- und der Niederdruckmaschine während des Betriebes so verändert wird, dass der beisderseitige Druck im Speicher beliebig eingestellt werden kann.
Diese Veränderung der Füllungsverhältnisse kann von Hand aus oder automatisch, z. B. durch den Druck im Hochdruckkessel oder durch das Verhältnis der Drücke im Hochdruck-und Niederdruckkessel od. dgl. eingestellt werden.
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Bei Hochdruckkesseln geben die Wasserstandsanzeigevorrichtul1gen leicht Anlass zu Betriebsstörungen. Das Verfahren nach der Erfindung gestattet es nun, infolge der Ausbildung des Kondensators mit grossem Wasserinhalt den Wasserstand desselben verlässlich zu messen und dadurch den Wasserstand im Hochdruckkessel zu kontrollieren. Bei bekannten Undichtheitsverlusten des Hochdruckkreislaufes kann man sogar auch ohne Wasserstandsanzeiger am Hochdruckkessel auskommen.
Besondere Vorteile bietet das neue Verfahren bei Hochdruckbetrieben. Der im Verdampfer erzeugte Niederdruckdampf ist Nassdampf und könnte im allgemeinen nur durch Feuerbeheizung überhitzt werden ; bei entsprechend hohen Drücken des Hochdruckkessels, z. B. 100 Atm., ist es aber möglich, den Niederdruckdampf durch Hochdruckdampf auf einfachste Weise zu überhitzen.
Bei Kesseln nach solchem System mit Dampfumlauf ist es vorteilhaft, zum Anheizen einen gesonderten Anheizkessel zu verwenden, in welchem der Dampf auf einen Druck von o-15 Atm. gebracht wird, mit welchem Druck dann der Dampf den Umlauf beginnt. Der Wärmeaustauscher kann in diesem Falle sehr vorteilhaft als Anheizkessel verwendet werden. Es wird dadurch ein eigener Kessel gespart und gleichzeitig auch der Wärmeaustauscher auf seinen Betriebsdruck gebracht.
Ein Ausführungsbeispiel einer zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Anlage ist in Fig. 1 schematisch dargestellt. Darin bedeutet 1 den Hochdruckkessel mit seinem Flüssigkeitsinhalt bis zum Stande s-s. Der Dampf wird bei a dem Kessel entnommen, im Überhitzer 2 überhitzt und bei b dem Hoehdruckzylinder 3 zugeführt. Nach Arbeitsleistung wird der entspannte Dampf im Wärmeaustauscher 4 niedergeschlagen. Dieser ist z. B. hier so ausgeführt, dass in den Rohren der Niederdruckdampf erzeugt wird, während um die Rohre herum der entspannte Hochdruckdampf kondensiert wird.
Dadurch soll der in den Rohren sich ansetzende Kesselstein nach Absehrauben der Deckel leicht entfernt werden können.
Es stellt sich im Kondensatorraum 5 ein Wasserstand s'-s'ein, der im Wasserstandsanzeiger 6 abgelesen werden kann, während der Wasserstand s"-s"im Verdampfer 7 durch den Wasserstandsanzeiger 8 abgelesen werden kann, welche Anzeigen auch in den Führerstand verlegt werden können.
Der erzeugte Niederdruckdampf wird durch den Zwischenüberhitzer 9 geleitet, dort überhitzt und gelangt dann zur Niederdruckmaschine 10.
Das Kondensat aus dem Kondensatorraum 5 läuft der Speisepumpe 11 zu und wird von ihr durch den Abgasvorwärmer 12 in den Hochdruckkessel hineingedrückt. Dem Niederdruckverdampferraum 7 wird das Speisewasser durch eine Niederdruckspeisepumpe 14 zugeführt.
In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer für eine Lokomotive geeigneten Anlage dargestellt, bei welcher ein Hochdruckdampferzeuger mit Zwangsdampfumlauf verwendet wird. Die Bezeichnungen dieser Figur stimmen mit Fig. 1 überein. Ausserdem bedeuten M die Dampfpumpe für den Zwangsumlauf, wobei der Umlaufdampf bei a dem Kessel entnommen, durch den Überhitzer 2 gedrückt und bei c wieder in den Kessel eingeführt wird. Der Dampf der Kolbendampfmaschine wird im Ent- öler 16 entölt.
Der erzeugte Niederdruckdampf wird durch den Zwischenüberhitzer 17 durchgleitet, dort überhitzt und gelangt dann zur Niederdruckmachine 10. Im Zwischenüberhitzer wird durch Rohrschlangen od. dgl. Hochdruckdampf durchgeleitet, der bei zu hinter der Pumpe dem Hauptzwangskreislauf entnommen wird und nach Kondensation durch den Pumpenüberdruck in den Kessel zurückfliesst, unabhängig vom statischen Druckgefälle.
Auf diese Weise kann bei Unterteilung der zwei Hauptdruckstufen in Unterstufen der Arbeitsdampf zwischen den Stufen überhitzt werden, wobei die Druckleitungen der einzelnen Zwischenüberhitzer in Reihen-oder Parallelschaltung angelegt werden können. Die Entnahmestelle für den Hochdruckdampf kann-wie gezeichnet-hinter der Pumpe liegen, so dass Sattdampf zur Zwischenüberhitzung verwendet wird. Man kann aber auch an irgendeiner Stelle der Überhitzerschlangen Heissdampf ableiten, es muss nur der restliche Druckunterschied zwischen der Entnahmestelle und dem Kessel gross genug bleiben, um das Durchströmen der Zwischenüberhitzungsleitung zu gewährleisten.
Bei andern Kesselsystemen, die nicht mit Zwangsumlauf arbeiten, wird der Dampf für die Zwischenüberhitzung an irgendeiner Stelle des Kessels oder Überhitzers entnommen und das sich im Zwischenüberhitzer bildende Kondensat durch Pumpenzwangslauf od. dgl. wieder in den Hochdruckkessel gedrückt, so dass auch hier die Lage des Zwischenüberhitzers unabhängig vom statischen Druckgefälle ist.
Vom Niederdruckzylinder geht der Auspuffdampf vorteilhaft durch das Blasrohr ; es kann aber auch der Dampf in der Maschine bis zur Kondensation entspannt werden oder der Auspuffdampf für
Heizzwecke oder sonstige Zwecke verwendet werden. Das Speisewasser wird dem Niederdruckkessel vom Tender durch eine Speisepumpe oder am einfachsten durch einen Injektor zugeführt. 18 ist eine eigene F merstelle, welche zum Anlassen des Hochdruckkessels benutzt wird und deren Heizgase z. B. in Rauchrohren 18 durch den Kondensator durchgeleitet werden und dadurch denselben auf Druck bringen. Durch die Leitung 20 kann der sich bildende Dampf in den Hochdruckkessel geleitet werden und bei entsprechendem Druck dann von der Umlaufpumpe durch den Überhitzer gedrückt werden.
Bei Erreichen des für genügenden Dampfumlauf notwendigen Druckes wird die Beheizung des Wärme- austauschers abgestellt und die Leitung 20 gesperrt, Dieses Verfahren ist für Qrtsbewegliche Betriebe,
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insbesondere Lokomotivbetrieb, besonders gut geeignet und bietet ausser dem Vorteil reinen Speisewassers für den Hochdruckkessel folgende wichtige Vorteile :
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Dampfgewicht in der zweiten Hauptstufe geringer ist als in der ersten und dadurch der Kondensationsoder Auspuffverlust der Anlage wesentlich verringert wird ;
bei genügend hohem Druck im Wärmeaustauscher ist nämlich die Differenz zwischen dem Wärmeinhalt des Speisewassers auf der Niederdruckseite und der Flüssigkeitswärme im Niederdruekverdampfer ziemlich beträchtlich, so dass ein Teil der Kondensationswärme des Dampfes der ersten Hauptstufe nicht zur Verdampfung, sondern zur Vorwärmung des Speisewassers herangezogen wird. Die Abgase werden dazu benutzt, das Kondensat der ersten Hauptstufe vorzuwärmen, während das Speisewasser der zweiten Hauptstufe am besten ohne Vorwärmung, nur z. B. durch Injektorwirkung erwärmt, dem Verdampfer zugeführt wird. Dadurch braucht z. B. beim Lokomotivbetrieb wesentlich weniger Wasser im Tender mitgeführt zu werden oder kann bei gleicher Wassermenge der Aktionsradius wesentlich erhöht werden.
Durch Ausbildung des Wärmeaustausehers als Speicher mit grossem Wasserinhalt auf beiden Seiten ist es möglich, auch bei Stillstand des Fahrzeuges Dampf, der bereits Arbeit geleistet hat, für Heiz-und sonstige Zwecke zu entnehmen ; z. B. beim Lokomotivbetrieb steht dadurch für die Zugheizung, Druck-oder Saugluftbremse, Antrieb der Umlaufpumpe und Speisepumpe usw. Dampf zur Verfügung, der bereits Arbeit in der ersten Hauptstufe geleistet hat, während sonst dieser Dampf als gedrosselter Frischdampf abgegeben werden müsste.
Dadurch, dass die Steuerungen für die Hochdruckmaschine und bei Niederdruckmaschine getrennt ausgeführt werden, ihre Verstellung aber gekuppelt wird, ist es möglich, zu jeder beliebigen Hochdruckfüllung eine kleinere oder grössere Niederdruckfüllung zu geben. Dadurch kann man den Druck im Wärmeaustauscher beliebig beeinflussen.
Eine Ausführungsform dieser Füllungsveränderung für eine Lokomotive zeigt Fig. 3. Es bedeutet 21 den Umsteuerhebel der Heusingersteuerung für die Hochdruckmaschine (es können z. B. auch zwei Zylinder in Verbundwirkung gesteuert werden) und 22 den Umsteuerhebel für die Niederdruckmaschine.
23 ist die Hauptsteuerspindel, die vom Griff 24 verstellt wird und die Füllungen beider Hauptstufen gemeinsam verändert. An der Mutter 25 greift die Umsteuerstange 26 für die Hochdruckstufe an.
Die Umsteuerstange 27 für die Niederdruckstufe sitzt im Gewinde an der Hohlspindel 28, die an der Mutter 25 drehbar gelagert ist. Das Handrad 29 besorgt die Verdrehung der Hohlspindel und dadurch eine Relativbewegung der Umsteuerstangen gegeneinander. Dadurch vermag man wechselnde Entnahme von Niederdruckdampf aus dem Verdampfer durch Verringerung der Niederdruckfüllung ausgleichen und durch allmähliche Druckabsenkung Überlastungen vom Hochdruckkessel fernzuhalten und bei zu erwartenden Überlastungen durch Hinaufsetzen des Druckes im Wärmeaustauscher und umgekehrt die Elastizität des Kesselbetriebes bedeutend zu vergrössern.
Bei Lokomotiven tritt der Vorteil des reinen Speisewassers für den Hochdruckkessel ganz besonders stark hervor. Das unreine Kesselwasser verlegt hier nur den Wärmeaustauscher mit Kesselstein. In diesem Falle wird der Wärmeaustauscher so gelagert, dass er jederzeit leicht ausgebaut und durch einen gereinigten ersetzt werden kann. Es kann auch z. B. der Wärmeaustauscher in zwei Teile geteilt werden.
Im ersten Teil wird nur das Speisewasser für den Verdampfer durch kondensierenden Dampf der ersteren Hauptstufe soweit vorgewärmt, dass der ganze Kesselstein ausgeschieden wird und in eigenem Schlammsack gesammelt werden kann. Im zweiten, weitaus grösseren Teile wird dann die Verdampfung des Wassers erreicht ; dadurch wird die Benutzbarkeit des Hauptaustauschers bedeutend verlängert und es braucht nur von Zeit zu Zeit der kleine Austauscher ausgebaut zu werden. Auch der Wärmeübergang ist ein besserer und es wird dadurch Heizfläche erspart, dass das Temperaturgefälle im Vorwärmer bedeutend'grösser ist, als wenn dieselbe Heizfläche zum Verdampfer dazu geschlagen würde.
Die Verluste des Hochdruckkreislaufes durch Undichtheit werden am einfachsten durch Niederdruckwasser oder gegebenenfalls nur für diesen Zweck erzeugtes Niederdruckkondensat ersetzt. Es kann z. B. Wasser aus dem Verdampfer durch eine kleine Zusatzspeisepumpe oder am vorteilhaftesten Nieder- druckspeisewasser durch einen kleinen Injektor in den Hochdruckkessel gedrückt werden. Es können bei diesem System auch vorteilhaft die Sicherheitsventile nicht in die Atmosphäre abblasen, sondern in den Kondensator, oder es kann eine eigene Rohrleitung dazu dienen, Drucküberschreitungen im Hoch- druckkessel durch Abblasen in den Kondensator zu verhindern. Es sind für die verschiedenen Anwendungs- zwecke natürlich auch noch viele andere Ausführungsarten des Erfindungsgedankens möglich, z.
B. besonders mit Rücksicht auf Zwischendampfentnahme, bei welcher ganz reiner Dampf gefordert wird, und anderes mehr.
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