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Verfahren und Einrichtung zur Dampferzeugung.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, Dampf dadurch zu erzeugen, dass man Dampf hoch erhitzt und diesen hocherhitzte Dampf durch eine Wasserschicht leitet oder fein verteiltes Wasser in diesen einspritzt. Durch die Abgabe der Überhitzungswärme wird dann neuer Dampf erzeugt. Man hat weiter vorgeschlagen, überhitzten Dampf mehrmals durch Wasser hindurch zu leiten und den jedesmal neu erzeugten und den durch das Hindurchleiten durch die Wasserschicht abgekühlten, vorher erzeugten Dampf zu überhitzen, bis schliesslich die verlangte Betriebsdampfmenge gebildet ist. Um den Widerstand der Überhitzer und den der Wasserschicht zu überwinden und den Dampf in Umlauf zu bringen, sind verschiedene Massnahmen erforderlich, die mit Nachteilen verbunden sind.
Erfolgt nämlich die Dampferzeugung in einem einzigen Wärmeaustauschkörper, so ist zur Umwälzung des Dampfes, der als Wärmeträger dient und aus bestimmten Gründen ein Vielfaches der Nutzdampfmenge sein muss, eine besondere Pumpe nötig, die verhältnismässig viel Energie beansprucht und besonders bei hohen Drücken durch die unvermeidbaren Undichtigkeitsverluste den Anlagewirkungsgrad wesentlich verschlechter.
Wird dagegen die Bewegung des Dampfes in der Weise bewerkstelligt, dass man in einem besonderen Kessel eine kleinere Menge Dampf (sogenannten Erregerdampf) mit höherem Druck erzeugt und diesen mit eigenem Druckgefälle abwechselnd durch mehrere hintereinander geschaltete Überhitzer und Wasserräume strömen lässt, wobei in jedem Wasserraum durch die Überhitzungswärme neuer Dampf erzeugt wird, so wird wohl die Umwälzpumpe erspart, man benötigt aber eine grössere Anzahl von Druckbehältern, die die Anlage nicht nur verteuern und viel Platz beanspruchen, sondern auch eine Reihe von betrieblichen Nachteilen mit sich bringen. In erster Linie sind diejenigen zu nennen, die mit dem grossen Wasserinhalt dieser Behälter zu tun haben. Die Dampferzeugung kann z. B. nicht beginnen, bevor die Behälterinhalte bis auf Verdampftemperatur erwärmt sind.
Ist ferner, z. B. durch ungleichmässige Speisung, der Inhalt eines Behälters unter Verdampftemperatur abgekühlt, so wird der überhitzte Dampf der vorhergehenden Stufe zunächst dazu verwendet werden müssen, den Behälterinhalt wieder auf Verdampftemperatur zu bringen. Während dieser Zeit bleibt aber die Dampfmenge für die sämtlichen nachfolgenden Überhitzer ungenügend, so sass diese verbrennen können und ähnliches.
Diese Nachteile sollen durch vorliegende Erfindung behoben werden, die darin besteht, dass man den Dampf nicht durch Hindurchleiten von mehrmals überhitztem Dampf durch die Wasserschichten mehrerer hintereinander geschalteter Behälter erzeugt, sondern dadurch, dass man Wasser in feiner Verteilung in den als Wärmeträger dienenden überhitzten Dampf an mehreren, aber mindestens zwei zwischen den hintereinander geschalteten Überhitzern gelegenen Stellen einspritzt.
Da immer nur so viel Wasser eingespritzt wird, als gerade zur Verdampfung erforderlich ist, so besitzt der"Einspritz"-Dampferzeuger keine unnötigen Massen, die die Dampferzeugung träge machen.
Durch geeignete Regelvorrichtungen lässt sich auch bewirken, dass jeder Überhitzer genügend Dampf erhält, so dass eine Überhitzung der Rohre vermeidbar ist. Die grossen, und besonders für Hochdruckdampf sehr teuren Zwischenbehälter fallen ganz fort. Die Körper, in welchen die Dampfbildung durch das Einspritzen erfolgt, haben ganz geringe Abmessungen und sind nichts weiter als Rohrerweiterungen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Überhitzern. Wegen der Einfachheit dieser Verdampfer (Wärme-
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austauschvorrichtungen) können diese in beliebiger Zahl vorgesehen werden. Es kann also auch die "Stufenzahl" gross gemacht werden, womit die Erregerdampfmenge"auf einen sehr kleinen BetraY herabsinkt.
In Fig. 1 ist ein Dampferzeuger zur Durchführung des Verfahrens schematisch dargestellt. Es ist 1 der Feuerraum. In diesem befindet sieh der Erregerkessel H und 3, in welchem die kleine Erreer- dampfmenge erzeugt und gegebenenfalls auch das übrige Speisewasser vorgewärmt wird. Der Erregerdampf strömt nun durch eigenen Überdruck durch die Leitung 6 über eine Drosselstelle,' ? und ein Absperrventil 53 zum ersten Überhitzer 7, wird dort stark überhitzt und gelangt zum ersten Verdampfer 1. 3, wo ihm durch eingespritztes und fast auf Verdampftemperatur vorgewärmtes Wasser die überhitzung- wärme entzogen wird.
Durch diese Überhitzungswärme wird aus dem eingespritzten Wasser neuer Dampf entwickelt, der nun gemeinsam mit dem auf ungefähr Sättigungstemperatur abgekühlten Erregerdampf zum nächsten Überhitzer 8 strömt. Hier wird neue Überhitzungswärme zugeführt, die es ermöglicht. im nachfolgenden Verdampfer 14 ein vermehrtes Quantum Dampf aus dem hier eingespritzten Wasser zu erzeugen. Der Vorgang wird so oft wiederholt, bis schliesslich die verlangte Betriebsdampfmene erhalten ist.
Das einzuspritzende Wasser kann, wie oben bereits erwähnt, aus dem im Feuerraum liegenden Erregerkessel 2, 3, der in diesem Falle also auch als Wasservorwärmer dient, durch die Leitung 5 Über
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erzeugte Dampf verlässt über ein Ventil 31 den letzten Verdampfer 18 und geht nun zu einem Schluss- Überhitzer 28, wo ihm die für den Betrieb verlangte Überhitzungstemperatur mitgeteilt wird, zur Verbrauchsstelle. Von den übrigen, in Fig. 1 gezeigten und bisher nicht beschriebenen Teilen wird später die Rede sein.
Während Fig. 1 in schematischer Form den Dampferzeuger von oben gesehen darstellt, bringt Fia'. 2 den Verdampferteil mit dem Behälter in einem schematischen Schnitt und in Ansicht von der Seite gesehen. Es sind 13-18 die Verdampfer, die ihr Einspritzwasser über ein Rohr 5, z. B. vom Wasservor- wärmerteil des (nicht sichtbaren) Erregerkessels, erhalten. Das Wasser wird durch Düsen- 40 in feinster Verteilung eingespritzt, so dass es dem bei 41 eintretenden überhitzten Dampf eine grosse Oberfläche darbietet. Bei 42 sind Drahtsiebe angebracht, die grosse Tropfen aufhalten und zur Aufteilung und Ver- dampfung bringen sollen. Der abgekühlte und neu entwickelte Dampf verlässt bei 43 die Verdampfer, um seinem zugeordneten Überhitzer zuzuströmen.
Vor dem Austritt können Prallbleche angebracht werden, an welchen sich etwa mitgerissenes Wasser abscheidet.
Zweck der Einspritzung in feinster Verteilung ist, wie erwähnt, die Darbietung grosser Oberflächen,
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Düsen kann die Ausbreitung des zu verdampfenden Wassers auf grosse Oberfläche, z. B. auch durch geeignete Füllstücke erreicht werden, die man in die Verdampferkörper einbaut. Diese Massnahme hat den Vorteil, dass man an Stelle einer engbohrigen Düse gewöhnliche Brausen verwenden kann, die weniger leicht verstopfen und dass auch das Mitreissen von Tropfen leichter verhütet wird. Diese Füllstücke können aus kleinen Zylindern bestehen (sogenannten Rasehig-Ringen) und werden aus möglichst die Wärme gut leitendem Material hergestellt. In Fig. 3 und 4 sind derartige Verdampfer im Schnitt gezeigt.
Es ist 50
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Der abgekühlte und neu gebildete Dampf fliesst bei 56 ab, während überschüssiges Wasser bei. 56 abuse- lassen werden kann.
Gegenüber Fig. 3 unterscheidet sich die Ausführung der Fig. 4 dadurch, dass die Füllung zwei Lagen bildet, 51 und 57, die zwischen sich einen Raum frei lassen, in welchen die Brause 54 einmündet. Es wird also nur der untere Teil berieselt, der obere Teil dient als Wasserabscheider. Er kann noch durch Zuführung von überhitztem Dampf aus der Leitung 5. 3 bzw. 53 geheizt werden, so dass auch die hier hängen- bleibenden Tropfen noch verdampft werden.
Es ist wichtig, dass der Dampferzeuger stets so betrieben wird, dass die Endtemperatur der t'berhitzung in jedem einzelnen Überhitzer und die Einspritzwassermenge in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen. Ein Zuwenig des Wassers hat zur Folge, dass der eingeführte Dampf zu wenig abgekühlt und dann im nächsten Überhitzer zu stark überhitzt wird. Ein Zuviel des Wassers hat umgekehrt den Nachteil, dass leicht Wasser mitgerissen wird und sieh etwaige Unreinheiten in den Überhitzerrohren niederschlagen und diese verschmutzen. Oder es wird unnötige Pumparbeit geleistet. Eine Möglichkeit der Regelung bietet nun die Temperatur des überhitzten Dampfes selbst. Man kann z.
B. einen Thermostaten vorsehen, der von der Temperatur des Dampfes an einer beliebigen Stelle, insbesondere der Temperatur am Ende des einer Einspritzdüse oder-Düsengruppe nachfolgenden Überhitzers, beeinflusst wird.
In Fig. l ist die Anordnung einer solchen Thermostatregelung gezeigt. Es sollen dort 19-23 Thermostaten
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wird, wie oben bereits angedeutet, mit Vorteil die Regelvorrichtung so einstellen, dass stets nur so viel Wasser eingespritzt wird, dass der Dampf beim Verlassen der Wärmeaustauschkörper (Verdampfer) noch überhitzt ist, um Wasserausseheiduns : en möglichst zu verhüten.
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zuführung Anwendung finden, indem man zwei Einspritzdüsen oder-brausen bzw. zwei Gruppen solcher für jeden Verdampfer vorsieht, von denen die eine das zu verdampfende Einspritzwasser in normalem Betriebe liefert, während die andere. durch einen Thermostaten od. dgl. betätigt, nur in aussergewöhnlichen Fällen in Tätigkeit tritt.
Solche aussergewöhliche Fälle können sowohl über eine bestimmte Belastung hinausgehende Belastungen oder auch Betriebsstörungen sein. wie z. B. Verschmutzung oder Bruch der ungesteuerten Einspritzvorrichtungen. Fig. 5 zeigt halbsehematisch die Anordnung für die kombinierte Betriebsweise. Es sind wieder 50 die Verdampferkörper, 51 die Füllungen, bei 64 tritt das Wasser durch
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Gelingt es nicht, alles eingespritzte Wasser sofort zu verdampfen oder wird das Wasser absichtlich im Überschuss eingespritzt, so wird sich am Boden des Verdampfers eine kleinere oder grössere Menge von Wasser ansammeln.
Dieses Wasser enthält ansehnliche Beträge von Energie in Form von Wärme und Druck, Seine verlustlose Abführung und Sammlung ist daher von besonderer Wichtigkeit. Gegen- stand der Erfindung ist daher weiter das Verfahren, dieses überschüssige Wasser aus den Körpern, in welchen die Einspritzung und Verdampfung erfolgt durch geeignete Vorrichtungen abzuführen und für seine weitere Verwendung zu sammeln. Zu diesem Zwecke können die Verdampferkörper in ihrem unteren Teil mit einem kleinen Sammelraum versehen werden, der mit einem grösseren, für alle Verdampfer gemeinsamen Sammelgefäss verbunden ist.
Die Verbindungsleitung mit dem Sammelgefäss kann durch ein Schwimmerventil abgeschlossen werden, das sich öffnet und das sich am Boden des Verdampferkörpers ansammelnde Wasser ablässt. sobald der Spiegel eine gewisse Höhe erreicht hat und den Schwimmer anhebt. Die Leitung zum Sammelgefäss kann aber auch lediglich durch eine sogenannte Blende abgeschlossen sein. Unter Blende versteht man bekanntlich unveränderliche, stets offengehaltene Bohrungen, die im vorliegenden Fall so bemessen sind, dass durch sie dauernd eine kleine, mit dem Ansteigen der Flüssigkeit aber zunehmende Menge von selbst abfliessen kann.
Im vorliegenden Fall kann, wenn die Öffnung nicht durch überschüssiges Wasser abgedeckt ist, wohl Dampf entströmen, dies bedeutet aber keinen Verlust, sondern nur eine Umgehung des nachfolgenden Überhitzers. Das gemeinsame Sammelgefäss ist in Fig. 1 durch den Behälter 25, die gemeinsame Abflussleitung durch 24 dargestellt. In Fig. 2 sind 45 die Blenden, die die Abflussöffnung zur Sammelleitung 46 begrenzen. Das gemeinsame Sammelgefäss ist durch 47 im Schnitt wiedergegeben. In Fig. 5 sind nur die Abläufe 56, nicht aber die Sammelleitung und der Behälter dargestellt.
Der Behälter, in dem das ÜberschÜssige Einspritzwasser gesammelt wird, kann noch einem weiteren Zwecke dienen. Er kann auch als Dampfsammler oder Puffergefäss zum Ausgleich der Dampfverbrauchsschwankungen gebraucht werden. Entsprachen die Überhitzer und die Verdampfer beim Dampferzeuger in ihrer Wirkung den Siederohren gewöhnlicher Dampferzeuger, so vertritt hier der Sammler die Stelle der Ober- und Untertrommeln gewöhnlicher Kessel, also der Teile, durch die das zu verdampfende Wasser und bereits erzeugter Dampf gespeichert werden kann.
Dadurch dass, wie in Fig. 1 dargestellt, der letzte Verdampfer M durch ein Rohr. 34 mit dem Verteilerrohr 26, anderseits aber auch der Schlussüberhitzer 28 mit dem Dampfdom 27 verbunden ist, kann bei momentanem Dampfüberschuss Dampf in den Wasserraum des Behälters 2. übergeführt und unter Druckanstieg niedergeschlagen werden. Umgekehrt lässt sich bei momentanem Dampfmangel Dampf bei 27 aus dem Behälter entnehmen, wobei der Druck im Behälter abnimmt. Es lässt sich ferner das Wasser, das im Überschuss in die Wärmeaustauschkörper (Verdampfer) eingespritzt wurde und zum Behälter ablief, ganz oder teilweise wieder zum Einspritzen verwenden. Hiefür ist es durch eine Pumpe auf den erforderlichen Einspritzdruck zu bringen.
Diese Betriebsweise ist aus dem Schema der Fig. 2 ersichtlich, wo 46 den Ablauf des Überschusswassers und 47 den Behälter darstellt, während die erwähnte Pumpe durch 48, ihr Antriebsmotor (z. B. Elektromotor) durch 49 wiedergegeben sind. Die Saugleitung der Pumpe ist am Behälter angeschlossen, die Druckleitung führt zu den Verdampfern 13-18, die auch von der Leitung 5 aus dem Erregerkessel gespeist werden können. Erfolgt die Lieferung des Eirspritzwassers ausschliesslich durch Wasser, das die Pumpe 48 aus dem Behälter entnommen hat, so wird das Ventil 70 geschlossen und das im Erregerkessel vorge-
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Die Pumpe 48 kann mit Vorteil auch von einer Dampfturbine 73 angetrieben werden. Zur Sicherheit kann neben der Dampfturbine noch ein Elektromotor angekuppelt sein, der leer mitläuft und erst Strom erhält, sobald die Drehzahl der Pumpe unter ein zulässiges Mass gesunken ist.
Zur Betriebssicherheit und zum richtigen Funktionieren des Dampferzeugers sind noch verschiedene Einzelheiten nötig, die weitere Gegenstände der Erfindung bilden. So sollen die Wärmeaustauschkörper (Verdampferkörper) mit Schlammabscheidern versehen werden. Es kann ferner, besonders bei Einführung des Wassers in feiner Verteilung mittels Einspritzdüsen, erforderlich sein, dass das Einspritzwasser einen wesentlich höheren Druck besitzt als der Dampf. Wird der Erregerdampf und das Einspritzwasser aus dem gleichen Kessel geliefert, wie z. B. in Fig. 1 bei 2 und 3 gezeigt ist, hat also das Wasser und der Dampf den gleichen Druck, so ist der Druck des Dampfes für die Verdampfer künstlich zu erniedrigen. Dies kann durch ein Reduzierventil geschehen, das in dem Beispiel der Fig. 1 bei 29 angedeutet ist.
Eine Erleichterung bietet es, wenn sämtliche verwendeten Teile gleiche Abmessungen besitzen.
Es kann dies erreicht werden, indem man die sämtlichen Überhitzerteilstücke mit gleicher Oberfläche ausführt und sie um die Feuerung und in die Rauchgaszüge gleichartig anordnet. Man wird ferner sämtliche Überhitzer oder Überhitzergruppen so hintereinander schalten und ihre Oberfläche und Dampfdurehtrittsquerschnitte, z. B. durch Parallelschaltung mehrerer Überhitzerteilstücke, so bemessen, dass für jeden Überhitzer oder Überhitzergruppe die Verdampferkörper und die Einspritzdüsen die gleiche Grösse und Bauart erhalten.
Einen besonderen Vorteil bietet der Dampferzeuger noch dadurch, dass die grössere Wasser-und Dampfmengen enthaltenden Kesselteile, wie z. B. der Erregerkessel und der Sammler, von den Überhitzerrohren, also den eigentlichen zur Dampferzeugung dienenden und in den Feuergaszügenliegendel1
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schalten.
Aus dem gleichen Grunde lässt sich der Dampferzeuger auch als Schnellverdampfer und Spitzenkessel betreiben. Die der eigentlichen Dampferzeugung dienenden Überhitzerrohre können, zum Unterschied gegenüber den Siederohren gewöhnlicher Dampfkessel kleine Durchmesser erhalten. Die Wandstärke dieser Rohre wird daher auch bei hohen Dampfdrücke gering. Das Gewicht der Heizflächen ist aus diesem Grunde gegenüber einem Siederohrkessel gleicher Heizflächengrösse äusserst klein. Ferner entfällt der Wasserraum und entfallen die Massen der Behälter, die beim gewöhnlichen Kessel zur Aufnahme dieser Wassermengen erforderlich sind. Bei entsprechender Feuerung, z. B.
Kohlenstaub, vermag der Dampferzeuger sofort die Dampferzeugung zu beginnen, da nur die geringen Rohrmassen der Überhitzer auf Betriebstemperatur zu bringen sind, die Dampferzeugung aber unmittelbar mit dem Einspritzen des Wassers in den überhitzten Dampf einsetzt. Bei sofortigem Dampfbedarf wird man im allgemeinen den Dampf unmittelbar aus den Verdampfern und Überhitzern entnehmen ; ist jedoch der Behälter auf Druck, oder genügend Zeit vorhanden, diesen auf Druck zu bringen, so kann die Dampfentnahme auch über diesen Behälter erfolgen. Es kann der Dampferzeuger also nach Belieben als reiner Röhrenkessel oder durch Zuschalten des speicherartigen Dampfsammler als Grosswasserraumkessel. betrieben werden.
Um die geschilderte Betriebsweise zu erleichtern, wird man trachten, dass der Behälter stets unter Druck steht, d. h., dass sein Wasserinhalt eine Temperatur besitzt und behält, die ungefähr dem Betriebsdampfdruck entspricht. Zu diesem Zweck wird man z. B. beim Abstellen des Kessels den Restdampf in den Wasserraum schicken und auch während des Betriebes stets einen Teil des Dampfes durch den Wasserraum des Behälters gehen lassen.
Um beim Anlassen nicht die Erzeugung von Erregerdampf aus dem Erregerkessel abwarten zu müssen, kann der Erregerdampf in manchen Fällen auch aus andern Quellen, z. B. in Betrieb befindliehen Kesseln gleichen Betriebsdruckes, entnommen werden. Ein weiteres, sehr nützliches Verfahren ist die Verwendung einer sogenannten Wärmepumpe. Es ermöglicht eine solche Wärmepumpe, besonders wenn sie als Kolbenpumpe ausgeführt ist, auch bei starker Abkühlung des Behälterinhaltes durch eine entsprechende Drueksenkung Dampf aus dem Sammlerwasser zu bilden und diesen auf den in den Überhitzern benötigten Druck zu verdichten. Es kann also durch die Wärmepumpe der Erregerkessel entbehrlieh werden, u. zw. nicht nur beim Anlassen, sondern auch während des normalen Betriebes.
In Fig. 6 ist nochmals das Schema des Dampferzeugers dargestellt. Die Bezeichnungen sind für gleiche Teile die gleichen wie in Fig. 1. Diese Figur zeigt auch den Anschluss der Pumpe für das Einspritzwasser, das dem Behälter entnommen wird, und den zugehörigen Antriebsmotor. Es ist ferner 75 die Saugleitung der Wärmepumpe, die selbst unter 76 dargestellt ist. Ihr Antriebsmotor ist 77. Die Figur zeigt weiters ein Verbindungsrohr 78, das durch ein Ventil 79 absperrbar ist und gestattet, t'berschuss- dampf oder den noch nach dem Abstellen erzeugten Dampf durch sämtliche Überhitzer zu leiten und im Wasserraum des Behälters niederzuschlagen. Da dieser Behälter zum Unterschied gegenüber der Obertrommel normaler Kessel mit stark veränderlichem Wasserstande arbeiten darf, so kann z.
B. im Falle
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