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Verfahren zur Dampferzeugung, bei welchem ein Brennstoff-Luftgemisch unter höherem, gleieh- bleibendem Druck verbrannt wird und Dampferzeuger zu seiner Durchführung.
Es ist bekannt, dass der Wärmeübergang eines Gases oder einer Flüssigkeit von der Dichte und Strömungsgeschwindigkeit derselben abhängt. Die in der Praxis bei Wärmeaustausehvorrichtungen, besonders bei Dampferzeugern, angewandten Geschwindigkeiten blieben trotzdem bisher sehr niedrig und in der Tat hat auch die Wissenschaft, die dem ausführenden Techniker das Rüstzeug für die Berechnung und Untersuchung dieser Apparate liefert, bisher die Erforschung des Wärmeüberganges
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war es anderseits doch nicht bekannt, welche Beträge dieser Wärmeübergang tatsächlich annimmt, wenn die Geschwindigkeit wesentlich, d. h. z. B. auf Schallgeschwindigkeit oder mindestens über die Hälfte der Schallgeschwindigkeit, erhöht wird.
Man hat aber auch deshalb diese hohen Strömungsgeschwindig- keiten nicht angewandt oder für praktisch unverwertbar gehalten, da der Arbeitsaufwand, der zur
Erzeugung dieser hohen Strömungsgeschwindigkeiten erforderlich ist, als nicht mit den durch die hohen Strömungsgeschwindigkeiten erzielbaren Vorteilen in Einklang stehend betrachtet wurde.
Dass es sich bei den hier zur Anwendung kommenden Strömungsgeschwindigkeiten um ganz andere
Verhältnisse handelt, als sie bisher erforscht und angewandt wurden, kann aus folgendem ersehen werden :
Ist die Strömungsgeschwindigkeit klein, so spielt die Kompressibilität (Elastizität) des strömenden
Gases keine Rolle. Die Strömung ist dann bekanntlich nur abhängig von der Reynoldsehen Zahl und der Wärmeübergang von der Pecletschen Zahl. Steigt die Strömungsgeschwindigkeit aber auf z.
B. über die Hälfte der Sehallgesehwindigkeit, so macht sich der Einfluss der Kompressibilität des Gases in steigendem Masse fühlbar, und es wird die Strömung (Wärmeübergang) auch abhängig von der sogenannten Machschen ZahL Die Eigenreibung des Gasstromes, die ungefähr dem Quadrate der Geschwindigkeit proportional ist, wird sehr gross und, da sie in der Hauptsache in derGrenzsehicht zurAuswirkung kommt, so entsteht dort eine grosse Erwärmung, die den ganzen Vorgang der Wärmeübertragung ändert.
Bezüglich der Erzeugung dieser Strömungsgeschwindigkeiten ist zu berücksichtigen, dass diese auf sehr wirtschaftliche Weise erfolgen kann, wenn alle oder ein grosser Teil der zur Verdichtung aufgewendeten Energie dem Wärmekreislauf des Dampferzeugers wieder zugeführt wird. Die der Verdichtungsarbeit des Brennstoff-Luftgemisches entsprechende Energie wird in jedem Falle in Form von Verdichtungs-und Verlustwärme für die Dampferzeugung nutzbar.
Der Gegenstand der Anmeldung betrifft nun ein Verfahren zur Dampferzeugung, bei welchem die Rauchgase an den Heizflächen (Siederohren) mit einer der Schallgeschwindigkeit gleichen oder nahezu gleichen Geschwindigkeit vorbeigeführt werden. Um den Rauchgasen diese Geschwindigkeit zu erteilen, muss in den Rohren ein gewisses Druckgefälle zur Verfügung stehen, d. h. es muss der Druck innerhalb der Brennkammer ein gewisses Vielfaches des Druckes im Fuchs betragen. Trotz des bei hohen Geschwindigkeiten hohen Druckverlustes infolge der Reibung innerhalb des Rohres kann dieses Vielfache doch verhältnismässig klein sein (z.
B. genügt unter Umständen schon ein Druckverhältnis von 1-7), da durch die Abkühlung, die die Heizgase während ihres Durchflusses an den Rohrwänden erfahren, eine Zunahme der Dichte und damit eine Abnahme der Strömungsgeschwindigkeit dieser Gase eintritt. Diese Ver-
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strömenden Gasen in einem Diffussor der Fall ist. Die Riickverdichtung wirkt dem Druckverlust infolge Rohrreibung entgegen, und so erklärt es sich, warum das zur Beschleunigung der Heizgase auf hohe Geschwindigkeit nötige Druckgefälle in diesem Dampferzeuger tatsächlich viel kleiner sein kann als es der Fall wäre, wenn die Strömung im Rohr ohne Wärmeentzug stattfände. Die Brennkammer dieses Dampferzeugers ist also ein allseitig druckfester Behälter, wie er z.
B. für Gleiehdruek-Gasturbinen Anwendung findet, wobei die Verbrennungsluft und der Brennstoff unter Druck, z. B. durch einen Verdichter, angeliefert wird.
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während in den Fig. 2-7 Einzelheiten und besondere Ausführungen dargestellt sind.
In Fig. 1 ist 1 die Brennkammer, die aus einem druckfesten Blechmantel 2 und einer wärmeisolierenden Schicht 3 besteht. Durch Brenner 4 werden die Verbrennungsluft und der Brennstoff unter Druck zugeführt und entzündet. Der Verdampfer ist unter 5 dargestellt. Er besteht zweckmässigerweise aus einem Bündel Rohr 6 von germger lichter Weite, die von den Rauchgasen mit hoher Geschwindigkeit durchströmt werden. Das zu verdampfende Wasser wird ausserhalb der Rohre vorbeigeführt. Um auch wasserseitig einen grossen Wärmeübergang zu erhalten und die sich bildenden Dampfblasen zuverlässig abzuführen, wird das zu verdampfende Wasser im Überschuss mittels einer Pumpe 7 in raschen Umlauf gebracht.
Zur Ausscheidung des Dampfes dient der Druckbehälter 8, in den auch das Speisewasser bei. 9
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geführt werden. Die abgekühlten Rauchgase verlassen den Verdampfer bei 12. Zum Antrieb des Verdichters 13 dient z. B. ein Elektromotor M Der überhitzte Frischdampf wird bei jJ entnommen.
An Stelle des getrennten Verdampfers 5 können zweckmässigerweise auch einzelne Rohrkörper (Siederohre) als Verdampfer verwendet werden, die aus einem Rohr bestehen, in dessen Innerem sich ein oder mehrere Rohre befinden, durch die die Rauchgase geführt werden. Das zu verdampfende Wasser strömt im Gegenstrom an diesen Rauehgasrohren vorüber. Fig. 2 zeigt die Anordnung mit einem, Fig. 3 mit mehreren Rauchgasrohren. Diese Rauehgasrohre können über die ganze Länge gleichen Querschnitt aufweisen, sie können aber auch, entsprechend der Veränderlichkeit des spezifischen Volumens der Rauchgase und der verlangten Strömungsgeschwindigkeit, verschiedenen Querschnitt haben, indem man entweder Rohre verschiedener liehter Weite aneinandersetzt oder das gleiche, zylindrisehe Rohr
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Eine weitere Ausführung für die Verdampferrohre zeigt Fig. 5. Hier sind drei Rohre 20. 21 und 22 konzentrisch ineinander gelagert, wobei der Raum für die Rauchgase durch Rohr 21 und 22 gebildet wird.
Das zu verdampfende Wasser wird im Rohr 22 und zwischen Rohr 20 und 21 geführt.
Die Verwendung einzelner Siederohre als Verdampfer gestattet die Auskleidung der Brennkammer mit diesen, so dass auf einen Wärmeschutz der Brennkammerwände durch feuerfeste Isolierung ganz verzichtet werden kann oder für diesen eine dünnere isolierende Schicht, die zwischen den Siederohren und der druckfesten Brennkammerwand angebracht ist, genügt. Fig. 6 zeigt die Anordnung eines Dampferzeugers mit einzelnen Verdampferrohren (Siederohren), die gleichzeitig als Wandverkleidung dienen.
Es ist 30 die Brennkammer. Brennstoff und Luft werden durch den Brenner-M eingeführt. Das zu verdampfende Wasser tritt bei 32 in den unteren Ringraum 33 und strömt mit hoher Geschwindigkeit, die durch eine Umlaufpumpe erzeugt sein kann, durch die Siederohre 34, welche den Brennkammerumfang dicht umschliessen, nach dem oberen Ringraum 35. Im Inneren der Siederohre befinden sich die Rauchgasrohre 36. Durch sie strömen die Rauchgase, die bei 37 eintreten und durch das Sammelrohr 38 abgeführt werden, mit hoher Geschwindigkeit, wobei sie ihre Wärme an das vorbeigeführte Wasser abgeben. Das mit Dampfblasen reich gesättigte Umlaufwasser verlässt den Verdampfer bei/39. von wo es, ähnlich wie bei der Anordnung nach Fig. 1, zu einem Dampfabscheider oder Dampfsammler gelangt.
Zur Überhitzung wird der abgeschiedene Nassdampf zum Verdampfer zurückgeführt, in dessen Feuerraum der Überhitzer 40 eingebaut ist.
Werden die Verdampfer (Siederohre) dicht genug aneinandergereiht, so kann auf einen Wärme-
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wie 42 zeigt, vorzusehen.
Fig. 2 zeigt einen Teil der beschriebenen Einzelheiten der Fig. 6 in vergrössertem Massstab, Fig. 7 ist ein Schnitt durch den Gegenstand der Fig. 2. Die Bezeichnungen sind die gleichen wie auf Fig. 6.
Als Antriebsmotor des Verdichters kann eine Dampfturbine, irgendeine Brennkraftmaschine oder auch ein Elektromotor Anwendung finden. Wird eine Dampfturbine verwendet, so kann diese
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und Abdampf das Speisewasser für den Dampferzeuger vorgewärmt wird. Die für den Betrieb des Dampferzeugers gemäss der Erfindung erforderliche Verdichterleistung erfordert nämlich bei Anwendung einer
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Entnahmegegendruckturbine eine Dampfmenge für den Betrieb derselben, die gerade gross genug ist, um das Speisewasser bis nahe an Verdampftemperatur vorzuwärmen.
Dient zum Antrieb des Verdichters eine Verbrennungskraftmaschine (Gasmaschine, Diesel- maschine od. dgl. ), so wird man die Abgase dieser Antriebsmaschine den Rauchgasen der Dampferzeuger- feuerung beimengen, um auch die in den Abgasen enthaltene Wärme noch für die Dampferzeugung auszunutzen. Die Abmessungen dieser Antriebsmaschine können wesentlich verringert werden, wenn man diese Maschine mit Aufladung betreibt, also die Verbrennungsluft und den Brennstoff vorverdichtet anliefert. Es ist hiefür kein besonderes Gebläse erforderlich, sobald man die Ladeluft vom gleichen Verdichter, der die Verbrennungsluft der Dampferzeugerfeuerung liefert, erzeugen lässt.
Um eine Vorstellung zu geben, welche bedeutenden Vorteile durch die Erhöhung der Rauchgasgeschwindigkeit auf Schallgeschwindigkeit oder nahe derselben erreicht werden, sei noch erwähnt, dass der Wärmeübergang der Rauchgase bei den inFrage kommendenDrücken und den erwähnten Geschwindig- keiten bis zu 2000 WE/m2 h C beträgt, gegenüber 25-50 WE/m h C, mit denen bei den Rauchgasen in den Rauchgaszügen gewöhnlicher Dampferzeuger gerechnet werden muss. Die aktive Heizfläche der Dampferzeuger gemäss der Erfindung vermindert sich also auf weniger als den vierzigsten Teil.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Dampferzeugung, bei welchem ein Brennstoff-Luftgemisch unter höherem, gleichbleibendem Druck verbrannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauchgase an den Heizflächen (Siederohren) mit einer der Schallgeschwindigkeit gleichen oder nahezu gleichen Geschwindigkeit vorbeigeführt werden.