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Verfahren zum Betriebe von Dampfanlagen und Einrichtung zu seiner Durchfiihrung.
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gewissen Anfangsspannung des Frischdampfes an nur noch der Zunahme des Gegendruckes beiläufig proportional oder sogar noch geringer und dieses Verhältnis wird bei weiter zunehmenden Eintritts- dampfspannungen der Maschine immer günstiger. Diese Erscheinung zeigt sich erst bei Dampfspannungen, die mindestens 28-32 Atm. betragen und stellt sich sowohl bei Heissdampf wie bei Nassdampf ein.
Das unerwartete Verhalten des Dampfes bei höheren Dampfspannungen und Gegendrücken liess weitere überraschende Ergebnisse nicht ausgeschlossen erscheinen und bei Fortführung der erwähnten Arbeiten entstand der Erfindungsgedanke : Kraft und Wärme von Dampf durch ein Verfahren auszunutzen, bei dem als Ausgangserzeugnis hochgespannter Dampf von der angegebenen Eigenschaft einerseits zu einer bisher überhaupt nicht erreichbaren Kraftausnutzung mittels einer geeigneten Kraftmaschine, anderseits zu grösstmöglichster Wärmeausnutzung durch Wahl eines entsprechend hohen Gegendruckes verwendet wird.
Das Mittel, durch das dieser Erfindungsgedanke verwirklicht wird, besteht in der Anwendung eines Betriebsverfahrens bei Gegendruckmaschinen derart, dass als Ausgangserzeugnis dieses Verfahrens Dampf von der entdeckte Eigenschaft genommen wird u. zw. Dampf von einer Anfangsspannung, deren unterste Grenze bei 30 Atm. liegt. Eine Maschine mit solch einem Anfangsdruck von 30 Atm. besitzt gegenüber einer Maschine mit 15 Atm. Anfangsdruck eine um wenigstens 25% grössere Kraftleistung. Je nach der Höhe des Anfangsdruckes wird ein mindestens vier-bis zwölffaeher Expansionsgrad angewendet. Unter Expansionsgrad wird das Druckverhältnis
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die erzielbare Leistung ebenfalls von Einfluss.
Als Voraussetzung gilt natÜrlich, dass man die bekannten Regeln der Dampfausnutzung befolgt und einen wirtschaftlichen Füllungsgrad anwendet, denn nur dann ist der volle Erfolg verbürgt. Die eintretende Steigerung der Leistung ist mit wachsendem Anfangsund Gegendruck grösser als eigentlich theoretisch zu erwarten ist. Der thermische Wirkungsgrad der oberen Stufen von Kolbendampfmaschinen ist nämlich bei den hohen in Betracht kommenden Dampf-
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üblichen Dampfdrücke von 12 bis höchstens 20 Atm., er wächst mit der Höhe des Dampfdruckes.
Die Erklärung dafür ist in dem bisher nicht bekannten Umstande zu suchen, dass hierbei die Drosselverlustc anteilig geringer sind und die schädlichen Flächen der Arbeitszylinder infolge des spezifisch schwereren Dampfes in viel günstigerem Verhältnis zum arbeitenden Dampfgewicht stehen als sonst. Dieser Vorteil geht soweit, dass man selbst bei hohem Expansionsgrade in einer Arbeitsstufe mit der Frisehdampf-
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herauszuholen, besteht in der Anwendung sehr hoher Dampfüberhitzung von 400"und darüber. Bei einem Gegendruck von 3-4 Atm. abs. ist der Abdampf aber noch überhitzt. In diesem Zustande ist es unmöglich, dass vom Dampf mitgerissene Öl aus ihm zu beseitigen.
Die Heizflächen der Wärme- verwertungsanlage werden daher bei Beheizung mit solchem ölhaltigen Dampfe stark verschmutzt und in ihrer Wirkung ungünstig beeinflusst. Verwendet man jedoch Frischdampf von wesentlich höherem Druck und selbst der gleichen Temperatur, so ist der Abdampf meistens schon etwas feucht. Das Schmieröl lässt sich dann aus ihm leicht durch Dampf entöler ausscheiden ; auch ist in diesem Falle bereits die volle Heizwirkung des in die Wärmeverwertungsanlage eintretenden Dampfes vorhanden. Tritt
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der Heizflächen schlecht ausgenutzt, da die Wärmeabgabe des überhitzten Dampfes bekanntlich nur gering ist.
Die Abmessungen der Arbeitszylinder fallen ausserdem bei einer nach der Erfindung arbeitenden Dampfmaschine für die gleiche Leistung Meiner aus als bisher. Der Gestängedruck und überhaupt das ganze Masehinengewicht, auf gleiche Leistung bezogen, sind eher kleiner als grösser als bei Maschinen mit den bisher üblichen Dampfdrücken, da man am Ende der Expansion einen grösseren Spannungsabfall anwenden kann, ohne wie sonst grosse Verluste in Kauf nehmen zu müssen. Eine
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geschwindigkeiten bzw. Umdrehungszahlen mit Rücksicht auf die kleinen bewegten Gestängemassen
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Auch hieraus sind deutlich die mit wachsenden Anfangs-und Gegendrücken eintretenden Vorteile erkennbar. Erhöht man z.
B., wie aus Fig. 2 ersichtlich, bei dem vielfach in der Praxis üblichen Gegendruck von 4 Atm. absol. entsprechend einer Temperatur von 142'8" den Anfangsdruck von 15 auf 30 Atm.,
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Beträgt der Gegendruck 7 Atm. absol., was auch noch häufig vorkommt, so ist der Dampfverbrauch für die PSe/St. bei 15 Atm. Anfangsdruck und 400 Dampftemperatur 16#1 kg bei 30 Atm.
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171%. Solche ungeahnte Ergebnisse lassen es dringend geboten erscheinen, allen irgendwie für Heizzwecke erforderlichen Dampf nur als Abdampf einer nach der Erfindung arbeitenden Dampfmaschinen- anlage zu verwenden, auch dann, wenn der zugehörige Betrieb nicht in der Lage ist, die erzielbare Leistung selbst zu verwerten. Bei den neuzeitlichen Kraftübertragungsverhältnisse wird es immer möglich sein, die überschüssige, auf keine andere Weise, selbst nicht mit Hilfe der Wasserkraft, billiger erzeugbare Arbeit anderweitig abzusetzen.
Die zur Zeit geltende Anschauung, dass, wie schon einleitend bemerkt, der hochgespannte Dampf
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Die auf die Einführung hochgespannten Dampfes gerichteten Bestrebungen bewegten sieh jedoch in dieser ungünstigen Richtung. Bei hoher Luftleere von ? % ist z. B. das Arbeitsvermögen des Dampfes zwischen 4 Atm. absol. und der Kondensatorspannung grösser als zwischen 60 Atm. und 4 Atm. Auf das ganze Wärmegefäile verteilt, ist der Gewinn bei einer solchen Kondensationsmaschine aus diesem Grunde und mit Rücksicht auf den niedrigeren thermischen Gesamtwirkungsgrad bei einer Drucksteigerung von 15 auf 60 Atm. nur etwa 12%.
Neben den Vorteilen, die aus der neuen Arbeitsweise der Maschine entstehen, ergibt sich aber durch vorliegende Erfindung noch eine Verbesserung der Abwärmeverwertung. Es ist bekannt, dass nur die Wärme für technische Zwecke von Nutzen ist, welche bei entsprechend hoher Temperatur zur Verfügung steht. Diese Regel gilt natürlich auch für die Abwärmeverwertung und die Leistung einer Heiz-, \'erdampf-oder Trockenanlage ist umso grösser, je höher die Temperatur des Heizmittels ist.
In vielen Fällen, in denen bisher eine hohe Ausnutzung der Wärme des Dampfes für Heizzwecke stattfand, war dies nur dadu eh möglich, dass man auf eine grössere Ausnutzung seiner Kraft verzichtete und die Maschine gewissermassen hauptsächlich als Drosselorgan wirken liess. In anderen Fällen hatte man bisher, um möglichst wirtschaftlich zu arbeiten und doch Heizdampf von höherer Temperatur zu haben, Zwisehendampfentnahme angewendet. Diese Arbeitsweise kann aber nur dann Anwendung finden, wenn höchstens 50 bis 60% des der Maschine zugeführten Dampfes für Heizzwecke nötig ist, denn für die
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Belastung noch Arbeitsdampf übrig bleiben. Der eine Teil des Abdampfes geht also wie bei vollem Kondensationsbetrieb im Kühlwasser des Kondensators verloren.
Die Bauart einer Maschine mit Zwischendampfentnahme ist ausserdem recht verwickelt Es sind in einem solchen Falle schon bei 10 Atm.
Anfangsdruck mindestens 2 Arbeitsstufen mit verwickelten Regeleinrichtungen zur Verstellung der Steuerungen und eine Kondensationsanlage sowie die umständliche Beschaffung von grossen Kühlwassermengen oder eine Rüekkühlanlage erforderlich.
Bezieht man den Dampfverbraueh einer zweistufigen Kolbenmaschine mit Zwischendampf-
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Temperatur mit viel weniger Kühlwasser niederzuschlagen und die im Kondensat des Abdampfes befindliche Wärme mit der dem Gegendruck entsprechenden Temperatur wenigstens für die Kesselspeisung zurückzugewinnen. Damit ist ein beachtenswerter Wärmerückgewinn verbunden. Auch kann man den überschüssigen Abdampf zur Erzeugung kesselsteinfreien Zusatzspeisewassers benutzen. Unter Berücksichtigung dieser Vorteile ist eine nach dem neuen Verfahren arbeitenden Gegendruckmaschine wirtschaftlicher als eine Maschine mit Zwisehendampfentnahme und dem üblichen Dampfdruck.
Durch die durch das neue Verfahren ermöglichte freie Wahl des Frisehdampf-und Gegendruckes der Maschine hat man es in der Hand, die Leistungsfähigkeit einer vorhandenen Wärmeverwertungs-
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die dem Druck von 2 Atm. entsprechende Temperatur von 10O auch dann gebunden, wenn das zu behandelnde Gut höhere Erhitzungen vertragen konnte. Das machte unnötig grosse Heizflächen in den zugehörigen Apparaten, lange Eindampfungs- oder Trockenzeiten und meistens auch die Anwendung
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erhöhen. Ein Frischdampfdruek von 35--40 Atm. reicht bereits in einem solchen Falle aus. um die gleiche Arbeit aus demselben Dampfgewicht abgeben zu können. Durch Anwendung eines Dampfdruckes von z.
B. 60 Atm. wird dann schon ein Überschuss an Arbeit erreicht, der an irgend einer Stelle
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10 Atm. ist man jetzt in der Lage, den Wärmespeicher auf verhältnismässig hohen Druck aufzuladen. ohne an Leistung zu verlieren, was bei einer Maschine mit dem üblichen Frischdampfdruck selbst bei Anwendung grösster Füllung gänzlich ausgeschlossen ist. Der Wärmespeicher kann also hier mit wesentlich kleinerem Inhalt ausgeführt werden.
Das neue Verfahren ist in allen gewerblichen und industriellen Anlagen anwendbar, welche Dampf für Heizzwecke nötig haben, z. B. in chemischen Fabriken, Zuckerfabriken, Papierfabriken, Färbereien, Appreturnstalten, Brikettfabriken, Torftrockenanstalten usw. Zweckmässig werden diese, wie schon angedeutet, mit Elektrizitätswerken verbunden, damit sie ihre überschüssige Kraft an benachbarte, nur Kraft erfordernde Werke oder an Elektrizitätsnetze abgeben können.
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umgesetzt ; der Betrag y steht als verwertbare Abwärme zur Verfügung, während z die im Kondensat des Abdampfes enthaltene Flüssigkeitswärme anzeigt.
Der Unterschied in dem Betrag.,'bei gewöhnlichem Dampfdruck und bei hochgespanntem Dampf zeigt, inwieweit die neue Betriebsweise der bisher bekannten überlegen ist. Können z. B. bei dem angegebenen Gegendruck und bei 15 Atm. Fri'chdampf-
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12Q WE für 1 leg. Er ist also 2-18 mal so gross.
Im zweiten Falle steht allerdings nicht mehr für jedes Kilogramm die gleiche Abwärme von
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Leistung der Maschine dadurch auf über das 2'5fache ; sie wächst also bei Abwärmeverwertung durch die neue Betriebsweise selbst bei dem verhältnismässig niedrigen Gegendrucke von 5 Atm. absol, zu einer ungeahnten Höhe.
Bei solchen Maschinen nach der Erfindung, die mit einem Gegendruck von mindestens 4 Atm.
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Durch diesen grossen Spannungsabfall wird eine Verringerung des Inhalts des Arbetiszylinders herbeigeführt. Bei zweckentsprechender Wahl der übrigen den Gestängedruck beeinflussenden Grössen kann eine Herabsetzung dieses Druckes ohne wesentliche Beeinträchtigung des Arbeitsvermögens des Dampfes erzielt werden. Nach Berechnung des Erfinders kann durch entsprechend grossen Spannungsabfall am Ende der Expansion erreicht werden, dass der Gestängedruck bei einer zweistufigen Maschine mit
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Maschine von 15 Atm. Anfangsspannung und dem gleichen Gegendruck.
Wollte man bei Maschinen mit üblicher Anfangsspannung den gleichen Spannungsabfall anwenden.
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Die vorliegende Erfindung beschränkt sich nicht nur auf die Angabe der Mittel zur be-ttmüglicheu Ausnutzung des Dampfes, sondern sie zeigt im nachfolgenden auch Wege und Einrichtungen, mittels welcher Leistung und erforderlicher Heizdampfbedarf in Einklang gebracht werden können.
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entweder die Füllung verstellt oder die Füllung beibehält und den Frischdampfdruek herunterdrosselt. Wenn nun bei einer Dampfkraftanlage der vorher beschriebenen Art die in einem bestimmten Zeitpunkt gebrauchte Leistung der Maschine kleiner ist als der verlangten Abdampf menge entspricht, muss durch eine besondere Druckreduziereinrichtung direkter Kesseldampf der Abdampfverwertungsanlage zugesetzt werden.
Versagt diese Einrichtung, insbesondere bei hohem Frischdampfdruek, so besteht die Gefahr, dass der volle Kesseldruck in die Abdampfverwertungsanlage tritt und eine Explosion derselben herbeiführt.
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Es wird daher nachstehend noch ein neues Regelverfahren beschrieben, welches diese Schwierigkeiten beseitigt und ausserdem noch andere unerwartete Vorteile mit sich bringt. Es besteht darin, dass das Arbeitsvermögen des Dampfes durch Erhöhung des Gegendruckes der Maschine verringert und der Dampfverbrauch, auf die Leistungseinheit bezogen, so weit heraufgesetzt wird, dass die verlangte Abdampfmenge geliefert werden kann. Dadurch ist es ausgeschlossen, dass Kesseldampf direkt in die Wärmeverwertungsanlage treten kann, da der Dampf erst auf alle Fälle durch die Maschine gehen muss.
Ausserdem besteht die Möglichkeit, auch den Heizdruck und damit die Temperatur des Heizdampfes in weiten Grenzen zu ändern, was besonders wichtig ist, wenn das in der Wärmeverwertungsanlage zu behandelnde Gut verschiedenen Temperaturen ausgesetzt werden muss. Der durch das neue Regelverfahren sich zeitweilig ergebende höhere Gegendruck kann insofern noch zweckmässig verwertet werden, als durch den höher gespannten Abdampf das Kesselspeisewasser in einem Abdampfvorwärmer bis auf die dem erhöhten Gegendruck entsprechende Temperatur vorgewärmt werden kann. Im Gegensatz zu vorliegendem Erfindungsgedanken ergibt sieh beim Vermindern der Leistung in der bekannten Weise durch Füllungsänderung oder Frischdampfdrosselung der Nachteil, dass dadurch die Zylindprwände der Maschine ausgekühlt werden.
Bei Erhöhung der Leistung auf den ursprünglichen Betrag werden diese dann wieder aufgeheizt, wodurch naturgemäss Niederschlagsverluste an den schädlichen Flächen der Arbeitszylinder entstehen. Geschieht jedoch die Leistungsregelung gemäss der Erfindung, so kann bei gleichem Frischdampfdruck die Füllung unverändert bleiben. Die Mitteltemperatur der schädlichen Flächen, die von der Frisehdampf-und Abdampftemperatur abhängt, wird bei der gleichen Frischdampf- temperatur trotz der kleineren Leistung höher als bei der Leistung, für welche die Maschine bestimmt ist, so dass plötzliche Belastungsänderungen eintreten können, ohne dass damit erhöhte Verluste durch Wärmeaustausch an den Zylinderwandungen entstehen können.
Dieser Vorteil kommt besonders bei Nassdampfbetrieb dort zur Geltung, wo oft stärkere Belastungsschwankungen vorkommen, wie z. B. in Zellstoffabriken bei mechanischer Aufbereitung des später in der Wärmeverwertungsanlage zu zerkochenden Holzes.
Die Einrichtungen zur Änderung des Gegendruckes können von verschiedener Bauart sein. Da mitihnen die Leistung geregelt werden soll, ist es bei Maschinen, welche mit gleichbleibender Umdrehungs- zahl betrieben werden müssen, notwendig, dass sie unter dem Einfluss eines Geschwindigkeitsreglers stehen und von diesem direkt oder indirekt betätigt werden.
Im folgenden wird eine zweckmässige Einrichtung zur Ausübung des neuen Gegendruckregelverfahrens besehrieben. Hinter den Auslassventilen des Arbeitszylinders wird ein grösserer Behälter (Aufnehmer) angeordnet, in welchen der Abdampf eintritt. In die Abflussleitung dieses Behälters wird ein Drosselorgan eingeschaltet, dass von einem Geschwindigkeitsregler, je nach der verlangten Leistung, eingestellt wird. Der Behälter hat den Zweck, die periodisch erfolgenden Dampfstösse derart auszugleichen, dass die Schwankungen des Gegendruckes vor dem Drosselorgan nur noch gering sind. Der Dampfzutritt zur Maschine wird in an sich bekannter Weise unter den Einfluss des Heizdruckes gesetzt u. zw. wird z.
B. die Füllung von den Schwankungen des Heizdruckes durch einen Druckregler direkt oder mit Hilfe eines Servomotors verstellt oder der Frischdampf wird gedrosselt. Wird mehr Heizdampf verlangt, als die Maschine bei der vorhandenen Füllung abzugeben vermag, so wird die Dampfzufuhr zur Maschine, z. B. die Füllung, durch den Druckregler vergrössert.
Es sind nun folgende Fälle denkbar, deren Wirkung aus den in der Zeichnung dargestellten Indikatordiagrammen Fig. 4-7 ersichtlich ist. Die Maschine soll in der Regel beispielsweise mit einem Frischdampfdruck von 60 Atm. und einem Gegendruck von 5 Atm. absol. arbeiten. Ein für diese Verhältnisse brauchbares Diagramm einer einstufigen Hochdruckkolbenmaschine zeigt Fig. 4.
1. Soll die Leistung verkleinert werden, die Abdampfmenge aber unverändert bleiben, so wird durch einen Geschwindigkeitsregler der Gegendruck soweit erhöht, bis die verlangte Leistung vorhanden ist. Die Füllung bleibt hier unverändert. Aus Diagramm Fig. 5 sind die Veränderungen der Druckverhältnisse ersichtlich. Es ist hier angenommen, dass der Gegendruck auf z. B. 10 Atm. gesteigert worden ist.
2. Wird die gleiche Leistung verlangt und soll die Heizdampfmenge vergrössert werden, dann wird durch einen Druckregler die Füllung vergrössert, gleichzeitig durch einen Geschwindigkeitsregler der Gegendruck erhöht. Im Diagramm Fig. 6 ist in der punktierten Füllungs-und Expansionslinie dieser Fall dargestellt.
3. Soll die Leistung und die Heizdampfmenge erhöht werden, so kann entweder nur die Füllung vergrössert werden, wenn der Bedarf an Abdampf gleichmässig mit der Leistung zunimmt oder es muss auch der Gegendruck erhöht werden, wenn die verlangte Abdampfmenge grösser ist, als der Leistung entspricht ; siehe ausgezogene Diagramm Fig. 6.
4. Bleibt der Heizdampfbedarf unverändert und ist dagegen eine Vergrösserung der Leistung nur in gewissen Grenzen notwendig, wobei die Temperatur des Heizmittels geringer sein kann, so wird der Gegendruck herabgesetzt (Fig. 7).
In Fig. 8 ist schematisch als Beispiel eine einstufige Kolbenmaschine für die Ausübung des neuen Regelverfahren dargestellt. A ist der Dampfzylinder mit Ein-und Auslassventilen a bzw. b, B ein Auf- 98310
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nehmer für den Abdampf, 0 eine Drosselklappe, D ein Geschwindigkeitsregler, welcher das Drosselorgan C betätigt. E stellt ein Druckreduzierventil in der Abdampfleitung F dar, welches selbsttätig den Druck in der Wärmeverwertungsanlage auf der gewünschten Höhe hält und Frischdampf zusetzt, wenn der
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Heizdampfdruck betätigt wird.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Betriebe von Dampfanlagen, bestehend aus ein oder mehreren Gegendruckdampfmaschinen und dahinter geschalteten Einrichtungen zur Ausnutzung der Wärme des Gegendruckdampfes, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine mit Dampf von einer Anfangsspannung von mindestens 30 Atm. betrieben wird, von welcher Spannung an auch bei höheren Gegendrücken (bis zu 14 Atm. und darüber) jeder Zunahme des Gegendruckes eine nahezu proportionale oder sogar noch geringere Zunahme des Dampfverbrauches entspricht.