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Verfahren zur mehrstufigen Erwärmung von Speisewasser durch überhitzten Anzapf- dampf bei Dampfturbinenanlagen.
Die Erfindung bezieht sich auf mehrstufige Erwärmung von Speisewasser durch überhitzten Anzapfdiampf und ist insbesondere für Dampfturbinen, welche mit hohen Dampfparametern (Druck und Temperatur) arbeiten, geeignet. Durch das erfindungsgemässe Verfahren kann eine wesentli- che Erhöhung der Regenerationswirksamkeit gegen- über den bisher bekannten Ausführungen erzielt werden.
In mit hohen Dampfständen arbeitenden Dampfturbinenanlagen wird gewöhnlich eine mehrstufige Speisewasservorwärmung mittels Anzapfdampf verwendet. Durch diese bekannte Massnahme kann insbesondere eine Erhöhung esthermischen Wirkungsgrades der Anlage, sowie die Steigerung ihrer Grenzleistung gewährleistet werden. Weiterhin wird dadurch ermöglicht, die Schaufeln der Hochdruckstufen der Maschine zu verlängern, was durch Vergrösserung des Dampfdurchflusses in den Hochdruckstufen im Vergleich zu dem Durchfluss in den Niederdruckstufen erzielt werden kann.
Aus den Niederdruckstufen der Turbine wird für die Speisewasservorwärmung nasser oder schwach überhitzter Dampf abgezapft, wogegen aus den Hochdruckstufen in die Speisewasservorwärmer stark überhitzter Dampf gelangen kann.
Die Kondensationswärme ist bei dem nur wenig unter dem kritischen Punkt liegenden Druck im
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zur Überhitzungswärmehitzungswärme des Anzapfdampfes an das Speisewasser bei bedeutend höheren Temperaturunter- scheden, als die entsprechende Kondensationswär-
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wird. Dashitzungswärme dann vom energetischen Standpunkt wesentlich schlechter ausgenützt wird.
Es sind Anordnungen bzw. Anlagen bekannt,
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sers erzielt werden kann, als der Kondensationstemperatur des Anzapfdampfes entspricht und diese können in zwei Gruppen unterteilt werden, u. zw. :
A) Vorkühler oder Erhitzer von überhitztem Anzapfdampf sind derart ausgestaltet, dass der überhitzte Anzapfdampf vor seinem Eintritt in den zur gehörigenKondensationsaustauscherlediglich durch einen einzigen (oder mehreren) Vorkühler (16 - Fig. 1) hindurchtritt, der durch das gesamte aus dem entsprechenden Kondensationsaus- tauscher austretende Speisewasser gekühlt wird (vgl. österr. Patent Nr. 170693).
Es ist jedoch ein Nachteil dieser Anordnung, dass die erreichbare Erhöhung der Austrittstemperatur des Speisewassers in einem solchen Vorkühler gering ist, und zwar desto kleiner, je grösser die Anzahl der Regenerationsanzapfungen zwecks Erhöhung des Gesamteffektes der Generation gewählt wird. Die Unterschiede zwischen der Eintrittstemperatur des überhitzten Dampfes und der Austrittstemperatur des Speisewassers bleiben hier sehr gross, so dass bei bedeutendem Anwachsen der Entropie in dem Vorkühler die Dampfüberhitzung vom energetischen Standpunkt aus unvollkommen ausgenützt bleibt.
B) Bei Regenerationsentnahmen, bei denen die Temperatur des überhitzten Anzapfdampfes höher als die Austrittstemperatur des Speisewassers aus dem letzten Kondensationserwärmer von höchstem Druck ist, kann dieser Anzapfdampf noch weiter vorgekühlt werden, und zwar durch Speisewasser auo dem letzten Kondensationserwärmer vor seinem Eintritt in den zugehörigen Kondensationsaustauscher oder Vorkühler gemäss Absatz A).
Bei dieser Anordnung wird zwar bereits eine bemer- kenswerte Erhöhung der resultierenden Erwär- munc ; des Speisewassers sowie auch eine bessere Ausnützung der Anzaprdampfüberhitzung erzielt ; trotzdem wird auch'bei dieser Anordnung die überhitzung des Dampfes energetisch unvollkommen ausgenützt, insbesondere bei denjenigen Mitteldruckregenerationsentnahmen (nach Dampf- zwischenüberhitzem u. dgl. ), in welchen die Kondensationstemperatur des hoch überhitzten (zwi-
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schenüberhitzten) Anzapfdampfes wesentlich niedriger als die resultierende Erwärmung des Speisewassers in dem ganzen Regenerationssystem ist.
Wenn die Temperatur des überhitzten Anzapfdampfes in einer Anzapfung niedriger als die Kondensationstemperatur des Dampfes aus der Regenerationsentnahme von höchstem Druck ist, kann dieses Verfahren nicht verwendet werden.
Aus diesen Gründen wird selbst bei gleichzeitiger Anwendung der beiden bekannten Vorkühlergattungen gemäss Absatz A und B die Überhitzungswärme des hoch überhitzten Dampfes aus den Mitteldruckanzapfungen (mit Ausnahme von zwei Regenerationsentnahmen von höchsten Drücken) an das Speisewasser bei bedeutend höheren Temperaturunterschieden als die Kondensationswärme in Kondemationserwärmem abgegeben
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grösseren nichtAnordnungen von Vorkühlern können erfindungsgemäss beseitigt werden.
Dadurch kann in dem Regenerationssystem eine energetisch gleich gute oder auch bessere Ausnützung der Überhitzungs- wärme des Entnahmedampfes gegenüber ihrer Aggregatzustandswärme erzielt werden und manche der erfindungsgemäss ausgestalteten Anordnun- gen führen dabei gleichzeitig auch zu einer Verringerung der Anzahl der erforderlichen Vorkühler (gegenüber der gleichzeitigen Verwendung der beiden unter A und B beschriebenen bekannten Verfahren) und infolge einer Vereinfachung der Konstruktion auch zur Verringerung der Investitionskosten.
Ein gemeinsames Merkmal aller Vorkühler für überhitzten Anzapfdampf gemäss dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, dass in demselben der überhitzte Dampf stets durch ein Medium von einer solchen Temperatur abgekühlt wird, dass die Temperaturdifferenzen zwischen dem abzukühlenden Dampf und dem zu erwärmenden Medium die Temperaturdifferenzen zwischen dem kondensierenden Dampf und dem Speisewasser in den Kondensationserwärmem nicht wesentlich übersteigen oder kleiner sind.
Dies gewährleistet eine Ausnützung der Überhitzungs- wärme des Entnahmedampfes, die vom energetischen Standpunkt von gleicher Vollkommenheit oder vollkommener ist, verglichen mit seiner Aggregatzustandswärme auch bei den besagten Mitteldruckanzapfungen, bei welchen dies durch gleichzeitige Anwendung der beiden bekannten Vorkühlungsverfahren (A und B) nicht erzielt werden kann. Praktisch wird dies insbesondere bei Dampfturbinen mit sehr hohen Dampfständen und ein-oder zweifacher Überhitzung zur Geltung kommen, bei welchen bekanntlich eine grosse Anzahl von Regenerationsentnahmen mit hoch überhitztem Dampf verwendet wird.
Gemäss der Erfindung ist ein Verfahren zur mehrstufigen Erwärmung von Speisewasser durch überhitzten Anzapfdampf bei Dampfturbinenanla- gen, bei welchen neben den üblichen Anzapfverdampfern gegebenenfalls weitere Anzapfwärmeaustauscher benützt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der überhitzte Anzapfdampf, (z.
B. aus der Anzapfung), nach dem er gegebenenfalls einen Teil seiner überhitzungswärme in bekannter Weise an das aus dem letzten Hochdruck Anzapf- vorwärmer austretende Speisewasser (z. B. im Vorkühler) abgegeben hat und bevor er wie ebenfalls bekannt in seinem zugehörigen Kondensa- tionswärmer die Kondensationswärme abgibt, durch das Speisewasser an jener Stelle des Kreis- laufes desselben gekühlt wird, an der die Temperaturdifferenz zwischen dem Dampf und dem Wasser jeweils kleiner ist, als die Temperaturdifferenz zwischen Dampf und Wasser in den beiden dieser Stelle vor-bzw. nachgeschalteten Speisewasserkondensationserwärmsrn (z.
B. 7 und
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Erst wenn der Anzapfdampf auf diese Weise seine Überhitzungswärme gänzlich oder teilweise abgegeben hat, tritt dieser in einen üblichen Spei- sewasservorwärmer, in welchen durch seine Kondensation bzw. Zugabe zu dem Hauptstrom des übrigen Kondensats, der Rest seiner Enthalpie an das Speisewasser abgegeben wird.
Einig : Ausführungsbeispiele der Anordnungen, mit welchen das Verfahren zur Erhöhung des Wirkungsgrades gemäss der Erfindung verwirklicht werden kann, sind in den beigefügten Zeich- nungen schematisch dargestellt und es werden aus de.-nun folgenden Beschreibung noeh weitere Varianten des erfindungsgemässen Verfahrens erkennbar sein.
Fig. 1 stellt eine einfache Anordnung der Anlage dar, wie sie oben im Absatz A als vorbekannt beschrieben wurde und bei welcher zur Steigerung des Wirkungsgrades nur diejenige Überhitzungswärme des Anzapfdampfes von den einzelnen Stufen ausgenützt wird, in denen die Austrittstemperatur höher ist als die Temperatur des durch den letzten Kondensationswärmer von grösstem Entnahmedruck erwärmten Speisewassers.
In der mit einem Kondensator 2 arbeitenden Turbine 1 sind beispielsweise vier Dampfentnahmestellen 3,4, 5, 6 angeordnet, durch welche der Anzapfdampf in vier Kondensationsvorwärmer 7,8, 9, 10 abgeführt wird. In den letzteren wird das durch eine Speisepumpe 11 beförderte Speisewasser (Kondensat) erwärmt. In jedem der Kon- densationsvorwärmer 7. 8,9, 10 kondensiert der Anzapfdampf. Mit Hilfe von Spiegelreglern wird dann das Kondensat mittels Förderpumpen 12, 13, 14, 15 dem Hauptstrom des durch die Speisepumpe 11 beförderten Kondensats beigemengt.
Wie erwähnt wurde, ist hier ein Vorkühler 16 an die Reihe der Kondensationsvorwärmsr 7, 8, 9.
10 angeschlossen. In diesem Vorkühler 16 wird nicht nur der Anzapfdampf von der Entnahmestelle 3 eingeführt, sondern auch der Anzapfdampf aus den Entnahmestellen 4, in denen die
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Temperatur noch höher ist, als die Austrittstemperatur des Speisewassers vom letzten, mit höchstem Druck arbeitenden Kondensationsvorwär- mer 7. In dem Vorkühler 16 wird durch den aus den Stufen 3 und 4 kommenden Anzapfdampf das aus dem Vorwärmer 7 austretende Speisewasser weiter erwärmt, wodurch dieser Dampf beinahe aur die Temperatur des Speisewassers abgekühlt wird.
Erst dann wird der Anzapfdampf mit so verringerter Enthalpie aus dem Vorkühler 16 in seine entsprechenden Kondensationsvorwärmer 7 und 8 geleitet, in welchen er'bei seinem Anzapfdruck kondensiert. Die Verringerung der Enthalpie des Anzapfdampfes mittels des Vorkühlers 16 bewirkt (bei gleicher Gesamterwärmung des Kondensats im Kondensationsvorwärmer 7 bzw. 8) eine Vergrösserung der Anzapfmengen, neben der Erhöhung der Gesamterwärmung des Speisewassers, und das hat schliesslich auch eine Erhöhung des Turbinenwirkungsgrades zur Folge.
Dagegen veranschaulicht die Fig. 2 eine einfa-
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den folgenden) Figuren entsprechen der Fig. 1, wobei aber die Turbine 1, Kondensator 2 und Speisewasserpumpe 11 ausgelassen worden ist. Die Zwischenstufenvorkühlung wird in diesem Fallein den Vorkühlern 17 und 18 durohgeführt. Der Anzapfdampf 5 geht vor seinem Eintritt in den Kondensationserwärmer 9 durch den Vorkühler 18 hindurch, wo das gesamte, aus dem Kondensations- erwärmer 9 austretende Speisewasser gekühlt wird.
Wenn der Dampf 5 in den Vorkühler 18 unmittelbar eintreten würde, würde derselbe dem an sich bekannten Vorkühler gemäss Absatz A entsprechen.
In diesem Falle (unmittelbarer Anschluss von 5 auf 18) würden dann auch die Vorkühler 16 und 17 eine einfache, naheliegende Kombination der beiden bekannten Vorkühlungsverfahren gemäss Absatz A und B darstellen. Wenn jedoch in diesem bekannten Falle des unmittelbaren An- schlusses von 5 auf 18 (was in Fig. 2 nicht ge- zeichnet ist) der überhitzte Dampf 5 eine höhere
Temperatur als die Kondensationstemperatur des Dampfes 4 aufweisen würde, würde der Dampf 5 im Erwärmer 18 seine überhitzunoswärme an das
Speisewasser bei einem bedeutend höheren an- f inglichen Temperaturunterschied abgeben als der
Dampf 4 des Erwärmers 8 seine Kondensations- wärme abgibt, so dass diese Überhitzungswärme energetisch weniger ausgenützt wäre.
Gemäss Fig. 2 wird jedoch eine gute Ausnützung der Überhitzungswärme des Dampfes 5 dadurch erreicht, dass der Dampf zuerst in dem Vorküh- ler 17 durch das aus, dem Kondensationserwärmer 8
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Dampf 5 eine niedrigere Temperatur als die Kondensationstemperatur des Dampfes 3 aber eine höhere Temperatur als die Kondensationstemperatur des Dampfes 4 aufweist, so dass er in dem Vorkühler 16 nicht abgekühlt werden kann. Wenn jedoch, besonders bei einer grö- sseren Anzahl von Regenerationsstufen (als in den ausgezeichneten Beispielen vorausgesetzt wird) und insbesondere, wenn eine Zwischenüberhitzung verwendet wäre, könnte der Fall eintreten, dass der Anzapfdampf 5 noch eine höhere Temperatur aufweisen würde, als der Kondensationstemperatur des Anzapfdampfes 4 oder 3 entspricht.
In diesem Falle müsste der Anzapfdampf, ohne Änderung des Wesens der Erfindung, sukzessive auch durch das aus den übrigen Kondensationserwärmern höherer Drücke austretende Speisewasser abgekühlt werden, damit die Temperaturunterschiede bei seiner Abkühlung die Temperaturunterschiede in den Kondensationserwärmern nicht zu sehr überschreiten.
Ein gewisser Konstruktions- und Investitionsnachteil der Anordnung gemäss Fig. 2 liegt darin, dass die Vervollkommnung der Regeneration vom thennisch-en, cngetischen Standpunkt durch eine Vergrösserung der Anzahl der erforderlichen Vorkühler erkauft ist ; dieser Nachteil kann durch die Anordnung gemäss Fig. 3 verringert werden, wo die sukzessive Vorkühlung des überhitzten An- zapfdampfes durch den in einzelnen Kondensationsstufen kondensierenden Nassdampf erfolgt, so dass die Zwischenstufenvorkühler hier in der Form von z. B. zusätzlichen Rohrbündeln in konstruktiver Hinsicht mit den Kondensationserwärmern kombiniert sind, und es bekannt ist, dass die Koeffizienten des Wärmeübertrittes in den kondensierenden Dampf günstig sind.
Die Überhitzungswärme des Dampfes muss hier aber zuerst in den konden- sierenden Dampf übergeführt werden und erst aus diesem zusammen mit der Kondensationswärme in das Speisewasser.
In konstruktiver Weise kann man die Anordnungen gemäss den Fig. 2 und 3, gegebenenfalls auch ohne eine Änderung des Wesens der Erfindung miteinander kombinieren.
Die erwünschte Erhöhung der energetisch entropischen Wirtschaftlichkeit der Vorkühlung des überhitzten Anzapfdampfes bei einer minimalen Anzahl von Vorkühlem gemäss dem Hauptmerk-
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mit den Anordnungen gemäss Fig. 4 und 5 erzielt werden ;
die gesamte Anzahl der erforderlichen Vorkühler ist hier sogar niedriger als die Anzahl der Vorkühler bei der thermisch weniger vorteilhaften Kombination der beiden bekannten Vor-
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Der überhitzte Anzapfdampf tritt hier vor seinem Eintritt in den zugehörigen üblichen Kondensationserwärmer 20 jeweils nur durch einen einzigen Vorkühler 21 hindurch, so dass es hier nur so viele Vorkühler gibt, als die Zahl der Regenera-
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Damit jedoch die geforderte Bedingung der kleinstmöglichen Wärmegefälle in dem Vorkühler erfüllt wird, wird in diesem de Dampf mit einem Kondensat von weitaus kleinerer Durchllussmenge als der Gesamtdurchfluss des Kondensats durch den Kondensationserwärmer beträgt, gekühlt.
Dies er- möglicht eine Verringerung des Temperaturunterschiedes zwischen der Eintrittstemperatur des überhitzten Dampfes und der Austrittstemperatur des Kondensatteilstromes aus dem Vorkühler auf einen beliebig kleinen Wert bei der Verringerung der Durchflussmenge des Kondensates durch den Vorkühler.
Zur Erreichung eines kleinen Unterschiedes auch zwischen der Eintrittstemperatur des Kondensatteilstromes in den Vorkühler und der Aus- trittstemperatur des im Gegenstrom gekühlten An- zapfdampfes-der beinahe bis auf die Sättigungstemperatur abgekühlt werden soll-muss der Kondensatteilstrom in den Vorkühler von dem Kondensathauptstrom an derjenigen Stelle z. B. 23 abgezweigt werden, an welcher die Temperatur des Kondensathauptstromes annähernd gleich oder etwas niedriger als die Sättigungstemperatur des vorgekühlten Dampfes ist ; in der Regel wird dies der Austritt aus dem zugehörigen Kondensations- erwärmer oder aus einem anderen niedrigeren Er- wärmer sein.
Um die hohen Austrittstemperaturen des Kon- densatteilstromes aus dem Vorkühler in diesem
Falle vom energetischen Standpunkt aus gut aus- zunützen, muss derselbe dem Kondensathaupt- strom wieder an derjenigen Stelle 26 zugeführt werden, wo bei der Vermischung die Tempera- turen der beiden Ströme sich am wenigsten von- einander unterscheiden. In Fig. 4 und 5 ist z. B. eine Wiedervereini-
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peratur dargestellt. Je nach Bedarf kann dies jedoch auch hinter einem noch weiteren Kondensationserwärmer stattfinden, gegebenenfalls auch hinter dem letzten Hochdruckerwärmer (16- Fig. I) wenn die Eintrittstemperatur d'es überhitz- ten Dampfes in dem Vorkühler gemäss Fig. 4 und 5 höher als die Kondensationstemperatur des Anzapfdampfes von höchstem Druck ist.
Umgekehrt wiederum könnte bei einer sehr klei-
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des Kondensatteilstromeschem Falle die Wiedervereinigung unmittelbar hinter dem zugehörigen Kondensationserwärmer angezeigt wäre. In einem solchen Falle hätte aber dis Verringerung des Kondensatdurchflusses durch den Vorkühler keine Erhöhung der energetischen Wirtschaftlichkeit im Vergleich zu bekannten Anordnungen gemäss Absatz A zufolge, so dass hier kein Grund für deren Anwendung bestünde.
Gemäss Fig. 4 kann man bei den Kondensations- erwärmen, die mit einer bekannten Förderpumpe 22 versehen sind, den Kondensatteilstrom in den Vorkühler 21 l einfach unmittelbar an die Druckleitung der Förderpumpe 22 anschliessen ; in vielen Fällen entspricht die derart bestimmte Kon- densatteilmenge ziemlich gut der Forderung nach kleinen Endtemperaturgefällen in dem Vorkühler 21.
Falls jedoch bei einer Kaskadenführung des Kondensats zwischen Kondensationserwärmem gemäss Fig. 5 der Kondensationserwärmer nicht mit einen Förderpumpe versehen ist, kann mit Hilfe eines l'regelorgans 23 der Kondensatteilstrom von dem Kondensathauptstrom abgetrennt werden, wo- durch dann die Möglichkeit einer Einstellung des Regelorganes 23 entweder mit der Hand oder automatisch auf die vorteilhaftesten Betriebsbedingungen erzielt wird.
Die beiden Verfahren gemäss Fig. 4 und 5 kön- nen ohne eine Änderung des Wesens der Erfin- dung gegebenenfalls auch kombiniert werden (Regelorgan 23 in der Druckleitung der Förder- pumpe 22 u. dgl.), insbesondere wenn mehrere benachbarte Erwärmer an eine gemeinsame Förderpumpe kaskadenartig angeschlossen sind.
Die Erhöhung des Wirkungsgrades durch das erfindungagemässe Verfahren ist umso bedeutender, je grösser die Überhitzung und der Druck des An- zapfdampfes sind, während bei niedrigen Drücken
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Im Falle von Regenerationsanzapfungen bei überkritischem Druck kann der bekannte Konden- sationsvorwärmer überhaupt nicht mehr verwendet werden, denn der Dampf mit überkritischem Druck geht bei seiner Abkühlung zu Wasser durch keine Änderung seines Aggregatzustandes hindurch. Bei überkritischen Anzapfungen entfällt deshalb der bisher bekannte Kondensationsregenerationsvorwärmer und der überkritische Anzapfdampf tritt einzig nur durch die Vorkühler gemäf de ; Erfindung, wie in Fig. 6 und 7 dargestellt ist, hindurch.
Erst nach seiner Abkühlung zu Wasser von genügend niedriger Temperatur wird er dem
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Diese Beifügungdruckkondensationsvorwärmer und nachfolgenden Zusatz des derart gedrosselten Wassers zum übii- gen Kondensat des entsprechenden Niederdruck- kondensationsvorwärmers.
Die Vorteile, welche der Erfindungsgegenstand insbesondere bei Hochdruck und Hochtemperaturdampfturbinen mit sich bringt, sind also die folgenden :
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b) Erhöhung der Grenzleistung der Anlage in- folge einer Vergrösserung der Dampfanzap- fungen zur Regeneration und dadurch auch eine Verringerung der Dampfdurchflussmen- ge in den letzten Kondensationsstufen der
Dampfturbine, c) Erhöhung des Dampfdurchflusses durch die ersten Hochdruckstufen der Dampfturbine und dadurch eine weitere Möglichkeit der
Erhöhung des Wirkungsgrades dieser ersten
Stufen durch Verlängerung von allzu kurzen
Schaufeln der ersten Stufen.
Im Vergleich mit den bekannten Anordnungen erzielt man praktisch durch die Anwendung des Erfindungsgegenstandes entweder einen erhöhten Wirkungsgrad der Wärmeregeneration bei gleicher Anzahl von Anzapfstellen der Dampfturbine, oder denselben Wirkungsgrad bei einer kleineren Anzahl dieser Anzapfstellen. Z. B. bei einer Hoch- druckdampf tun-bine für 350 atm, 650 C mit zwei- facher Zwischenüberhitzung auf 560'C bringt das erfindungsgemässe Verfahren der Wärmeregenera- tion eine 2%ige Erhöhung des Wirkungsgrades, bzw. bei acht Anzapfstellen der Turbine das glei-
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zehn Anzapfstellen.
Bedeutend erweiterte Vorzüge kommen bei noch
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des Erfindungsgegenstandes viel grössere Ersparnisse erzielt werden können.
PATENTANSPRÜCHE : I. Verfahren zur mehrstufigen Erwärmung von Speisewasser durch überhitzten Anzapfdampf bei Dampfturbinenanlagen, bei welchen neben den üblichen Anzapfverdampfern gegebenenfalls weitere Anzapfwärtmeaustauscher benützt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der überhitzte Anzapf-
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gegebenenfalls einen Teil seiner Überhitzungswärme in bekannter Weise an das aus dem letzten Hochdruckanzapfvorwärmar (7) austretende Speisewasser (z.
B. im Vorkühler 16) abgegeben hat und bevor er wie ebenfalls bekannt in seinen zugehörigen Kondensationswärmer (9) die Kondensationswärme abgibt, durch das Speisewasser an jenen : Stelle des Kreislaufes desselben gekühlt wird, an der die Temperaturdifferenz zwischen dem Dampf und dem Wasser jeweils kleiner ist, als die Temperaturdifferenz zwischen Dampf und Wasser in den beiden dieser Stelle vor-bzw. nach- geschaltetenSpeisewasserkondensationserwärmern (z. B. 7 und 8, Fig. 2,3).