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Verfahren zur Dampferzeugung, Dampferzeuger zu seiner Durchführung und Dampfkraftanlagen zur Verwertung des erzeugten Dampfes.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung und Verwertung von Dampf, insbesondere
Hochdruckdampf, aus Wasser oder aus andern Flüssigkeiten, beispielsweise Quecksilber.
Das Wesen des eriindungsgemässen Verfahrens der Dampferzeugung besteht darin, dass Flüssigkeit in einen doppelschenklig ausgebildeten, sich drehenden Dampferzeuger eingeführt und während der ) Drehung nur in einem der beiden Schenkel verdampft wird.
Der in dem sich drehenden Dampferzeuger erzeugte Dampf kann in einer auf gemeinsamer Welle angeordneten Turbine oder in einer an den rotierenden Dampferzeuger angeschlossenen Kraftmaschine zur Energieerzeugung wieder entspannt werden.
Die Wirkungsweise eines solchen sich drehenden Dampferzeugers soll zunächst an Hand der Fig. 1 ) bis 3 näher erläutert werden. Fig. 1 stellt ein ruhendes doppelsehenkliges Rohr dar. Wird in dieses Rohr
Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, eingefüllt, so stellt sich, solange dieses Rohr nicht beheizt wird. die
Flüssigkeit in beiden Schenkeln 1 und 2 gleich hoch ein, und es tritt ein Ruhezustand ein. Wenn aber der eine Schenkel 1 dieses Rohres beheizt wird, was in der Weise geschehen kann, dass der Schenkel durch eine Trennwand') vor der Einwirkung heisser Gase geschützt wird, wird in dem beheizten Schenkel 1 entweder warmes Wasser oder ein Dampfwassergemiseh erzeugt, dessen spezifisches Gewicht geringer als das spezifische Gewicht der nicht beheizten Flüssigkeit in Schenkel S ist.
Die Folge hievon ist, dass eine Auftriebskraft entsteht, die dem Gewichtsunterschied der Flüssigkeitssäulen in den beiden Schenkeln 1 und 2 entspricht.
Im Ruhezustand des doppelsehenkligen Rohres sind diese Auftriebskräfte nicht besonders hoeh.
Sie lassen sich aber erheblich steigern, wenn erfindungsgemäss das Rohr in Drehung versetzt wird. wodurch das doppelschenklige Rohr einer gegenüber der Erdbeschleunigung bedeutend grösseren Beschleunigung, nämlich der Zentrifugalbeschleunigung, ausgesetzt wird.
Diese Verhältnisse sind in den Fig. 2 und 3 veranschaulicht.
Gemäss Fig. 2 tritt die zu verdampfende Flüssigkeit aus dem hochstehenden Behälter 4 über die Stopfbüchse 5 in die rotierende Hohlwelle 6 ein, aus der sie in den Schenkel S 2 des U-Rohres und von hier in den Schenkel 1 strömt, wodurch das U-Rohr vollständig mit Flüssigkeit ausgefüllt werden kann.
Wird nun der Schenkel 1 durch Gase, die an der Trennwand 3 vorbeistreichen, beheizt, so ent- wickelt sich in dem Schenkel 1 Dampf, der verdrängt wird und das U-Rohr über das linke Ende der Hohl- welle 6 und die Stopfbüchse 7 verlässt.
Fig. 3 zeigt ein doppelschenkliges Rohr, dessen Schenkel nicht parallel, sondern rechtwinklig zu- einander stehen. Auch hier tritt die Flüssigkeit aus dem Behälter 4 über die Stopfbüchse. 5 in den Hohl- teil der Welle 6, die gedreht wird, ein und strömt von hier in den Schenkel 2 des doppelschenkligen Rohres.
Durch Gase, die den Schenkel 8 beheizen, von dem Schenkel : 2 aber durch die Trennwand. 3 ferngehalten werden, wird in dem Schenkel 8 Dampf erzeugt, der verdrängt wird und aus dem Schenkel 8 in den
Sammler 9 strömt, um die Anlage über Leitung 10 zu verlassen.
Im praktischen Betrieb würde natürlich ein doppelsehenkliges Rohr, wie es die Fig. 2 und 3 zeigen, nicht genügend Dampf liefern können. Diese Figuren sollen auch nur zeigen, dass es prinzipiell möglich
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einen Schenkel des Rohres bzw. Rohrsystem Dampf erzeugt wird und der Scheitel des doppelschenkligen Rohres bzw. Rohrsystems am äusseren Umfang des Drehkörpers liegt.
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kommen, sind in den Fig. 4 bis 8 dargestellt.
Es zeigt Fig. 4 einen Längsschnitt durch den sich drehenden Dampferzeuger gemäss der Erfindung, Fig. 5 einen Querschnitt durch den Dampferzeuger, Fig. 6 die Verbindung eines Dampferzeugers mit einer auf gleicher Welle angeordneten Turbine, Fig. 7 die Verbindung einer Dampfkraftanlage nach Fig. 6 mit einem andern Kessel, Fig. 8 eine andere Ausführungsform des erfindungsgemässen Dampferzeugers mit hochliegendem Abscheidebehälter, Fig. 9 eine weitere Aus- führungsform des erfindungsgemässen Dampferzeugers, Fig. 10 einen Querschnitt nach Fig. 9.
Wie aus den Fig. 4 und 5 hervorgeht, ist auf der Hohlwelle 6 ein doppelsehenkliges Rohrsystem 1. 2 angeordnet, das durch die Drehung der Hohlwelle 6 ebenfalls in Drehung versetzt wird. Das zu verdampfende Wasser oder eine andere Flüssigkeit tritt aus dem hochstehenden Behälter 4 über die Stopfbüchse 5 in das rechte Ende der Hohlwelle 6 ein und strömt von hier in den Schenkel 2 des drehenden Rohrsystems 1, 2. Durch Verteilungsrohre H wird die Flüssigkeit in die Rohre 1 geleitet, strömt dann von
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über die Stopfbüchse 7 zu verlassen. Solange den Rohren keine Wärme zugeführt wird, werden sich diese Rohre nach dem Gesetz der kommunizierenden Röhren ebenfalls mit Wasser füllen.
Beheizt man jedoch die Rohre 2 beispielsweise dadurch, dass Rauchgase in der Pfeilrichtung durch das rotierende System gefördert werden, so wird der entstehende Dampf aus-den Rohren 1 verdrängt und strömt über das linke Ende der Hohlwelle 6 irgendeiner Verwendungsstelle zu. Durch geeignete Konstruktionsmass- nahmen, gegebenfalls durch Anordnung von Trennwänden zwischen den Rohren 2 einerseits und den Rohren 1 anderseits oder durch Anordnung der Rohre 2 in einem derartigen Temperaturniveau des Heizmediums, dass eine Dampfbildung bei dem jeweiligen Druck in den Rohren 2 nicht möglich ist, muss dafür
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Wird nun dem erzeugten Dampf ein Widerstand entgegengesetzt, beispielsweise durch ein Drosselventil oder eine Arbeitsmaschine, so erhöht sich die Spannung dieses Dampfes,
und der Dampf verdrängt jetzt das Wasser in den beheizten Rohren 1. Wenn das ganze Wasser aus den Rohren 1 verdrängt werden soll, kann die hiezu erforderliche Dampfspannung berechnet werden. Sie muss gleich sein dem Unterschied des Druckes durch die Sehleuderwirkung des Wassers in den Rohren 2 und des Druckes durch die Sehleuderwirkung des Dampfes in den Rohren 1.
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Druck durch die Schleuderwirkung des Dampfes beträgt 17'8 kg/c. Sieht man von der Reibung in den Rohren ab, könnte bei den angenommenen Verhältnissen dementsprechend Dampf mit einem Druck von 1601cgjcm2 erzeugt werden.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens besteht darin, dass der zur Speisung erforderliche hohe Wasserdruck in dem Kessel selbst erzeugt wird. Hieraus folgt, dass die Wasserzuleitung nur unter einem sehr geringen Zuleitungsdruck steht und alle Verbindungen, wie Stopfbüchsen und andere Armaturen, nicht für hohen Druck gebaut zu sein brauchen, wie dies bei den zurzeit üblichen Hoehdruck- dampferzeugern durchweg der Fall ist.
Die Ableitung des Dampfes erfolgt durch Verbindungskammern 12 und einen Überhitzer 1. 3. in dem der Dampf getrocknet und überhitzt wird.
Die Fig. 6 zeigt die Verbindung eines rotierenden Dampferzeugers mit einer Kraftmaschine. Der Dampferzeuger und die Kraftmaschine sollen in der Weise miteinander gekuppelt werden, dass ein zusammenhängendes Aggregat entsteht, in dem Dampf erzeugt wird, der zwecks Energieerzeugung ent-
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Druck des entspannten Dampfes in eine Niederdruckturbine geleitet oder zu Wärmezwecken benutzt. Die dargestellte Bauart der Dampfkraftanlage gibt nicht nur die Möglichkeit, sämtliche Verbindungsleitungen mit ihren Armaturen zwischen dem Dampferzeuger und der Kraftmaschine in Fortfall kommen zu lassen. Darüber hinaus wird der Platzbedarf der Gesamtanlage bedeutend geringer als bei den zurzeit
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Wie aus der Fig. 6 hervorgeht, ist rechts der rotierende Dampferzeuger und links die Turbine angeordnet. Die zu verdampfende Flüssigkeit tritt aus dem hochstehenden Behälter 4 Über das Ventil 14
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Es ist aber auch möglich, Fremddampf zu benutzen, der durch eine Leitung 18 in die erste Turbinen- kammer eingeleitet wird. In diesem Falle ist es dann allerdings notwendig, ein Rückschlagventil 19 vorzusehen, das ein Entweichen des Dampfes durch die Hohlwelle 6 und den Dampferzeuger verhindert.
Sobald aber der Dampf in dem Dampferzeuger einen höheren Druck annimmt, öffnet sich die Rück- schlagklappe 19 selbsttätig, so dass der in dem Dampferzeuger erzeugte Dampf nunmehr über die Hohl- welle 6 und den Überhitzer 13 in die Turbine 15 strömt und diese antreibt.
Es braucht wohl kaum besonders darauf hingewiesen zu werden, dass die erfindungsgemässe Dampf- kraftanlage weder auf ortsfeste Anlage noch auf die Verdampfung von Wasser allein beschränkt ist.
Ebensogut kann sie bei Kraftfahrzeugen aller Art Verwendung finden. Vorzüglieh geeignet ist sie für die Verdampfung von Quecksilber, da es bei Quecksilberdampfanlagen infolge des hohen Preises des
Quecksilbers und der erheblichen gesundheitlichen Schäden, die infolge undichter Verbindungsstellen durch das Ausströmen von Quecksilberdämpfen hervorgerufen werden, auf einen Dampferzeuger mit geringstem Flüssigkeitsinhalt und auf grösstmögliche Verringerung der Verbindungsstellen ankommt, was bei der erfindungsgemässen Dampfkraftanlage in hohem Masse der Fall ist.
Fig. 7 zeigt beispielsweise, wie in weiterer Ausbildung des Erfindungsgegenstandes die erfindunggemässe, vorstehend beschriebene Primärdampfkraftanlage mit einer feststehenden gewöhnlichen Kesselanlage gekuppelt werden kann. Im Ausführungsbeispiel ist ein Steilrohrkessel mit Wanderrostfeuerung gezeigt. Ebensogut kann aber auch ein Sektionalkessel, ein bereits vorhandener Flammrohrkessel oder jeder andere Kessel mit jeder beliebigen Feuerung Verwendung finden.
Wie aus der Figur hervorgeht, treten die Abgase aus der gemeinsamen Brennkammer 20 über die Leitung 21 in den rotierenden Dampferzeuger, 22 ein, um ihn über die Leitung 2. 3 zu verlassen, worauf sie dann durch das Rohrbündel des Steilrohrkessels abströmen und hiebei ihre Wärme zur Vorwärmung der im Steilrohrkessel enthaltenen Flüssigkeit abgeben.
Der im rotierenden Dampferzeuger 22 entstehende Dampf gelangt dann in die mit dem Dampferzeuger 22 auf derselben Welle angeordnete Kraftmaschine 16 und wird hier mehr oder weniger weit entspannt.
Der entspannte Dampf verlässt nun die Kraftmaschine 15 über die Leitung 24 und strömt durch das in der Obertrommel des Steilrohrkessels befindliche Schlangenrohrbündel 25, wo er kondensiert. Das Kondensat fliesst über die Leitung 26 dem rotierenden Dampferzeuger 22 wieder zu, wo es verdampft wird, um den beschriebenen Kreislauf von neuem wieder zu beginnen.
Der Druck des an der Kraftmaschine abgezapfte Primärdampfes richtet sich bei Wasserdampfbetrieb nach der Spannung des Sekundärdampfes in dem Steilrohrkessel 27. Im allgemeinen ist es hiebei zweckmässig, den Druck des die Kraftmaschine 15 verlassenden Dampfes höher zu wählen, als der Druck des Sekundärdampfes sein soll, da man in diesem Falle besonders günstige Wärmeübertragungsverhält- nisse und sehr einfache bauliche Möglichkeiten erhält. Immerhin richten sich diese Verhältnisse nach den Stoffen, die zur Verdampfung kommen, d. h. die Verhältnisse können verschieden sein, je nachdem
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Einstoff-, Zweistoff- oder l\1ehrstoffsysteme in Frage kommen.
Hiel1ach richtet sich auch die Spanne zwischen dem Druck des Primärsampfes einerseits und des Sekundärdampfes anderseits, da die Spannung des
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dem kondensierenden Primärdampf und dem erzeugten Sekundärsattdampf besteht.
Besonders vorteilhaft wirkt sich die Kupplung der Primär-und Sekundäranlage beim Quecksilberdampfbetrieb aus. Bekanntlieh liegen beim Queeksilberdampfbetrieb die Temperaturen des Queeksilberdampfes auch bei weitgehender Entspannung noch so hoch, dass eine Wasserdampfanlage naehgeschaltet werden muss. In einem solchen Falle würde in der Dampfkraftanlage 22, 15 Quecksilberdampf erzeugt und entspannt, der dann in der Kesselanlage 27 infolge seiner Kondensation und Abkühlung Sekundärdampf erzeugen würde.
Der erzeugte Sekundärdampf kann dann in einer Kraftmaschine 28 ausgenutzt werden, die entweder mit der Kraftmaschine ? J gekuppelt ist oder getrennt aufgestellt wird. Das ganze Aggregat kann zum Antrieb eines Generators 29 dienen oder seine Arbeitsenergie auf andere Weise ausgenutzt werden.
Soll kein Sekundärnutzdampf, sondern nur Heisswasser erzeugt werden, lässt sich die Anlage bei sinngemässer Wahl der Betriebsverhältnisse auch hiezu verwenden.
Es ist jedoch nicht immer erforderlich, den Dampferzeuger so zu betreiben, dass eine restlose Verdampfung der Flüssigkeit und eine Trocknung sowie Überhitzung des Dampfes erfolgt. Der durch Sehleuderwirkung erzeugte Druck kann vielmehr ebenfalls dazu dienen, um einen Umlauf durch das Rohrsystem zu erzeugen.
Fig. 8 zeigt die Verwirklichung dieses Gedankens in beispielsweiser Ausführungsform. Wie aus dieser Abbildung hervorgeht, läuft die zu verdampfende Flüssigkeit dem rotierenden Dampferzeuger aus dem hochstehenden Behälter 4 über die Leitung 30 zu. Im Dampferzeuger selbst wird dann ein Dampfwassergemisch erzeugt, das den Dampferzeuger über die Stopfbüchse 7 verlässt und durch die Leitung 31 dem Hochbehälter 4 zugeführt wird. In diesem Behälter findet eine Trennung zwischen Flüssigkeit und Dampf statt.
Der abgeschiedene Dampf verlässt den Hochbehälter 4 über die Leitung, um irgendeiner Verwendungsstelle zugeführt zu werden, während die nicht verdampfte Flüssigkeit über die Leitung.') 0 dem Dampferzeuger wieder zugeführt wird, um den beschriebenen Kreislauf von neuem zu beginnen.
Der Dampferzeuger besitzt in diesem Fall keine Überhitzersehlange 13, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist.
Gegenüber Fig. 4 unterscheidet sich auch Fig. 8 noch insofern, als der in den Rohren 1 erzeugte Dampf nicht durch auf der Welle 6 angeordnete Kammern 12, sondern direkt durch die Hohlwelle 6
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Eine andere Ausführungsform des erfindungsgemässen Dampferzeugers ist in den Fig. 9 und 10 dargestellt. Die zu verdampfende Flüssigkeit tritt in diesem Falle aus dem hochstehenden Behälter in das Rohrsystem 2 ein und strömt dann über die Verteilerkammer 11 in die Verdampferrohre 1. Diese Rohre sind versetzt angeordnet, so dass bei der Drehung des Dampferzeugers gleichzeitig eine Ventilatorwirkung hervorgerufen wird, die das Absaugen der Abgase aus dem Kanal. 33, ihre Förderung durch den Dampferzeuger und ihre Abführung durch den Stutzen 35 bewirkt.
Es ist selbstverständlich möglich, die Dampferzeugungsrohre 1 bzw. die Wasserzuführungsrohre 2 in anderer Weise anzuordnen, um diese Ventilatorwirknng hervorzurufen. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Abgase zwecks Erhöhung der Wärmeübertragung und damit der spezifischen Dampferzeugung mit grosser Geschwindigkeit durch den Dampferzeuger geführt werden, ohne dass die Errichtung einer besonderen teuren Saugzuganlage erforderlich wird.
Der den rotierenden Dampferzeuger umgebende Mantel 34 kann mit Fangtasehen od. dgl. versehen sein, in denen die durch die Rotation ausgeschleuderten Bestandteile der Heizgase aufgefangen und abgeleitet werden.
Aus den vorstehenden Ausführungen geht hervor, dass das erfindungsgemässe Verfahren zur Dampferzeugung in allen Fällen angewendet werden kann, wo aus Wasser oder andern Flüssigkeiten, beispielsweise Quecksilber, Dampf erzeugt werden soll, der zu Kraft-bzw. Heizungszweeken dienen soll. Infolge der leichten und raumsparenden Bauart des erfindungsgemässen Dampferzeugers kann er nicht nur im Land-und Schiffskesselbau, sondern auch bei Fahrzeugen aller Art, beispielsweise Kraftwagen, Lokomotiven oder Flugzeugen, Verwendung finden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Dampferzeugung, insbesondere zur Erzeugung von Hochdruekdampf, aus be-
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umfang liegendem Krümmer, der in Drehung versetzt wird, Flüssigkeit zugeführt wird, die in einem der beiden Schenkel zur Verdampfung gebracht wird, während in dem Schenkel, durch den die Flüssigkeit zugeführt wird, eine Verdampfung verhindert wird.