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Dampferzeuger.
Man hat die Beobachtung gemacht, dass Brennstoffgemisehe in geschlossenen Gefässen unter
Druckentwicklung rascher und mit höheren Temperaturen verbrennen (verpuffen) als in offenen Räumen bei Atmosphärendruck. Während also beispielsweise für die offenen Brennkammern der Dampfkesselfeuerungen grosse Räume verlangt werden müssen, um dem Gemisch die nötige Zeit zur vollkommenen Verbrennung zu geben und das Entweichen unverbrannter Teile zu verhüten, verpuffen Brennstoffe, wie Gas, Öl, Kohlenstaub und ähnliche feinverteilte Stoffe, in geschlossenen Brennkammern in Bruchteilen von Sekunden. Die Grösse des Kammerinhaltes wird nicht mehr durch die Verbrennungszeit, sondern lediglich durch die je Verpuffungsspiel zuführbare Brennstoffgemisehmenge bestimmt.
Es ist ferner bekannt, dass der Wärmeübergang von Gasen und Flüssigkeiten von der Dichte und Strömungsgeschwindigkeit wesentlich abhängt. Es war also anzunehmen, dass sich mit zunehmender Geschwindigkeit der Heizgase auch eine Verringerung der Heizflächen herbeiführen lässt. Über die Höhe des Wärmeüberganges bei sehr grossen Geschwindigkeiten (mindestens 200 rnjsek.) und dem tatsäch- lichen Einfluss auf die Bemessung der Heizflächengrösse lagen jodoch bisher keine zuverlässigen Angaben vor. Vollkommen fehlten ferner Einrichtungen, die es ermöglicht hätten, Heizgasen auf wirtschaftliche Weise sehr hohe Strömungsgeschwindigkeit zu erteilen.
Nach der vorliegenden Erfindung werden nun die Verhältnisse, die sieh bezüglich der Verbrennung bei der Verpuffung in geschlossenen Behältern und bezüglich des Wärmeüberganges bei sehr hohen Strömungsgeschwindigkeiten ergeben, zum Zwecke der Dampferzeugung vereint nutzbar gemacht.
Gegenstand der Erfindung ist ein Dampferzeuger für beliebige Dampfdrücke, bei welchem das Brennstoff-
Luftgemisch in einer geschlossenen druekfesten Kammer unter Druckerhöhung verbrannt (verpufft) wird und keine Mischung der Verbrennungsprodukte mit dem Dampfe stattfindet. Die Erfindung be- steht darin, dass sich an die geschlossene Verpuffungskammer die Heizfläche des Dampferzeugers bildende
Rohre von so enger Bohrung anschliessen, dass durch diese Rohre die Verbrennungsgase infolge der bei der stossweisen Verpuffung entstehenden Drucksteigerung mit hoher Geschwindigkeit (über 250 m/sek.) unter gänzlicher oder fast gänzlicher Entspannung hindurchstreichen, um den Wärmeübergang zu erhöhen und die Rauchgasquerschnitte zu vermindern.
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel dieses Dampferzeugers. Statt der offenen Brennkammer gewöhnlicher Dampfkessel besitzt derselbe ein geschlossenes Gefäss 1, das durch Rohr 2 mit einem Brennstoff-Luftgemisch geladen wird. Ist die Verbrennungskammer gefüllt, so wird das Gemisch durch eine z. B. elektrische ZÜndvorrichtung 3 entzündet und verpufft unter Druckentwicklung, wobei sich das selbsttätige Rückschlagventil 4 schliesst.
Die durch die Verpuffung eintretende Temperatur-und Druckerhöhung der Ladung treibt nun die Verbrennungsprodukte mit sehr grosser Geschwindigkeit durch die aus einer Anzahl von engen Röhren bestehenden Düsen 5, wobei die gesamte innere Wärme und die kinetische Energie der ausströmenden Gase, u. zw. letztere in Form von Reibungswärme, an die Düsenwände abgegeben werden soll. Ist das Ausströmen beendet, d. h. der Druck in der Verbrennungskammer unter den Aufladedruck des frischen Gemisches gesunken, so öffnet sich das RÜckschlagventil 4 und lässt frisches Gemisch eintreten, das, den Abgasrest vor sich hintreibend, die Kammer neu anfüllt.
Ist die Ladung beendet, so erfolgt eine neue Zündung, und das Spiel beginnt von neuem. Infolge des verhältnismässig kleinen Querschnittes der Düsen und des sich daraus ergebenden Strömungswiderstandes kann auch ohne Auslassventil ein gewisser Ladedruck aufrechterhalten werden.
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Die an die Verbrennungskammer-und Düsenwände abgegebene Wärme muss von dem zu verdampfenden Wasser abgeführt werden. Zu diesem Zwecke wird das zu verdampfende Wasser mit hoher Geschwindigkeit an diesen Teilen vorbeigeführt. Hiefür umgeben die Zylinder 6 und 7 die Verbrennungkammer und die Düsen derart, dass das Wasser in eine dünne Schicht aufgeteilt und dicht an die abzu- kühlenden'Flächen herangeführt wird. Der Umlauf des Wassers wird im vorliegenden Beispiel durch den Unterschied der Schwere des Dampfblasen führenden rechten und des kälteren, von Damptblasen freien linken Teiles des Dampferzeugers bewirkt. Hiebei dient das Fallrohr 8 auch zur Aufnahme des kalten Speisewassers, das bei 9 eingeführt wird. Der entwickelte Dampf scheidet sieh im Oberkessel.
M aus. der
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verlässt der erzeugte Dampf den Kessel, während die Abgase durch den Bleehkegel 5 ins Freie gelangen.
Beim Ausführungsbeispiel Fig. 1 war angenommen, dass das Brennstoff-Luftgemisch nur mit einem Drucke in die Verbrennungskammer geliefert wird, der hinreicht, um den Abgasrest durch die Heizrohre hinaus zu schieben. Das zur Beschleunigung der Heizgase erforderliche Druckgefälle wurde allein durch die Druckerhöhung infolge Verpuffung erhalten. Es lässt sich die Leistung des Dampferzeugers noch wesentlich erhöhen, wenn der Brennstoff oder die Verbrennungsluft oder das Brennstoff-Luftgemisch unter höherem Drucke in die Kammern gepresst wird.
Durch die Vorverdichtung der Ladung wird sowohl das je Arbeitsspiel und Kammerinhalt zur Verpuffung gelangende Brennstoffgewicht, als auch der Verpuffungsdruck und damit die Dichte und Strömungsgeschwindigkeit der Heizgase erhöht, so dass die spezifische Leistung der Heizflächen noch weiter ansteigt. Gemäss der Erfindung erfolgt der Antrieb des Verdichters zum Einführen bzw. Vorverdichten des Brennstoffes oder der Verbrennungsluft oder des Gemisches beider durch eine Gasturbine, in der die restliche Energie der Verbrennungsgase ausgenutzt wird. Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Dampferzeugers mit vorverdichteter Ladung im Schnitt.
Es ist wieder 1 die Verbrennungskammer, 2 die Gemisehzuleitung,. 3 die Zündvorrichtung und 4 ein Rückschlagventil. Zur Verdichtung des Brennstoff-Luftgemisehes oder der Verbrennungsluft allein, falls Kohlenstaub oder Öl den Brennstoff bilden, dient ein Verdichter 16. Als Antriebsenergie dieses Verdichters stehen die Heizgase selbst zur Verfügung. Während nämlich den Heizgasen in den Heizrohren 5 fast die gesamte fühlbare Wärme zum Zwecke der Dampferzeugung entzogen wird, verbleibt den Gasen noch ein wesentlicher Betrag an Strömungsenergie, herrührend aus der hohen Geschwindigkeit, die den Gasen durch das Verpuffungsdruckgefälle erteilt wurde. Diese Strömungsenergie wird in einer Gasturbine 17 in Antriebsleistung für den Verdichter 16 umgewandelt.
Die verbrauchten Gase gehen
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Druckgefälle benötigt, so lassen sich die Gase durch entsprechende Bemessung der Düsenquerschnitte der Gasturbine auch etwas aufstauen und durch Entspannung dieses Staues in den Düsen noch weiter beschleunigen. Da die in der Gasturbine abgegebene Arbeit mit Ausnahme der kleinen Verlustbeträge für Lagerreibung, Abkühlung und Undichtigkeit ganz in Verdiehtungsarbeit, d. h. Temperaturerhöhung der Luft, umgesetzt wird, so bleibt sie dem Wärmekreislauf erhalten und kann vollständig zur Dampferzeugung zurückgewonnen werden. Im allgemeinen werden die Abgase die Gasturbine genügend tief abgekühlt verlassen. Ist dies nicht der Fall, so kann z. B. noch ein Wasservorwärmer in die Abgasleitung eingebaut werden.
Die Gasturbine kann als sogenannte Explosionsgasturbine betrieben werden, indem die Gase stossweise, d. h. mit veränderlichem Druck-und Wärmegefälle, auf das Rad treffen. sie kann aber auch als Gleichdruckturbine arbeiten, wenn die Gase vor der Leitvorrichtung auf einen gleich-. bleibenden Druck gestaut werden und dann mit gleichbleibendem Gefälle auf das Rad strömen. Die vom Verdichter 16 verdichtete Luft geht durch Rohr 2 nach dem Rückschlagventil 4. Das Arbeitsverfahren ist das gleiche wie im ersten Beispiel. Um den Wasserumlauf zu erhöhen, ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Umwälzpumpe 19 vorgesehen, die von irgendeiner Kraftquelle, z. B. Elektromotor, Dampfturbine oder auch von der Gasturbine selbst, angetrieben wird.
Das kältere Wasser wird ebenfalls durch Führungszylinder 6 und 7 an Verbrennungskammer und Düsen vorbeigetrieben. Um eine einfache Verbindung von der Verbrennungskammer nach dem Leitapparat der Gasturbine zu erhalten, sind die Düsen zwischen zwei zylindrische Rohre 7 und 20 verlegt. Das hocherhitzte und Dampfblasen führende Wasser tritt durch Rohr 21 in den eigentlichen Kesselraum, der wieder, wie üblich, mit Wasserstandsglas 11, Sicherheitsventil 12, Dampfdom 13 und Dampfentnahmerohr 14 versehen ist.
Für hohe Ladedrücke wird es sieh empfehlen, die Verbrennungskammer auch mit einem Ausströmventil 22 zu versehen, das während der Ladung geschlossen bleibt und sofort nach der Verpuffung öffnet. Dieses Ventil wie das Einlassventil und die Zündung können durch eine mechanische Steuerung betätigt werden, z. B. durch eine Nockenwelle, die von einem besonderen Motor angetrieben wird oder auch von Drucköl, wobei dann ein Motor die Ölpumpe und Verteilervorrichtung antreibt. Die mechanische Steuerung der Ventile und Zündung erlaubt auch eine gute Regelung des Dampferzeugers, indem man durch eine Änderung der Steuerwellendrehzahl die Spielzahl, das ist die Zahl der Verpuffungen, ändert.
Mit Vorteil wird man nicht nur eine, sondern mehrere Verbrennungskammern anwenden, deren zeitliche Aufeinanderfolge sich bei gesteuerten Ventilen leicht regeln lässt. Mit der Ventilbetätigung kann auch gleichzeitig eine Regelung des Verdichters, z. B. durch Drosselklappe oder verstellbare Diffusoren, und
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Ein Teil der Wärmeaustauschflächen (Verbrennungskammer oder Düsenwände) kann selbstverständlich auch zur Überhitzung des Dampfes verwendet werden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Dampferzeuger für beliebige Dampfdrücke, bei welchem das Brennstoff-Luftgemisch in einer geschlossenen, druckfesten Kammer unter Druckerhöhung verbrannt (verpufft) wird und keine Mischung der Verbrennungsprodukte mit dem Dampfe stattfindet, dadurch gekennzeichnet, dass sich an die geschlossen Verpuffungskammer die Heizfläche des Dampferzeugers bildende Rohre von so enger Bohrung anschliessen, dass durch diese Rohre die Verbrennungsgase infolge der bei der stossweisen Verpuffung entstehenden Drucksteigerung mit hoher Geschwindigkeit (über 250m/sek.) unter gänzlicher oder fast gänzlicher Entspannung hindurchstreichen, um den Wärmeübergang zu erhöhen und die Rauchgasquerschnitte zu vermindern.