Verfahren zur Erzeugung von Dampf und Dampferzeugungsanlage#,zur,# Ausübung des Verfahrens. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Dampf, bei dem die Wärmezuführung und die Dampfbildung unter Umwälzen von Wasser in getrennten Elementen erfolgt. Es ist bekannt, Dampf in der Weise zu erzeugen, dass die Dampf bildung in dem beheizten System zunächst dadurch verhütet wird, dass das umgewälzte Wasser unter so hohem Druck gehalten wird, dass Dampfbildung nicht eintreten kann und dass die Dampfbildung an beliebiger Stelle dann dadurch ermöglicht wird, dass der Druck verringert wird, unter welchem das Wasser steht.
Eine derartige einfache Einrichtung kann sich nur dort bewähren, wo die Wärme zufuhr konstant ist. \Trollte man auch bei schwankender Wärmezufuhr in dieser ein fachen Weise die Dampfbildung in dein beheiiten System verhüten, so müsste die umlaufende Wassermenge unter so hohen Druck gebracht werden, dass Dampfbildung ;euch im ungünstigsten Falle, das heisst bei grösstmöglichster Wärmezufuhr, nicht ein- treten kann. Dies bedeutet, dass in der Pumpe dementsprechend auch immer die Arbeit aufgewendet werden muss, die erfor derlich ist, um den höchsten Druck zu er zeugen oder um die grösste Wassermenge umzuwälzen.
Dadurch geht ein grosser Teil der Energie verloren, die aus dem erzeugten Dampf gewonnen werden kann, und das an sich wertvolle Verfahren wird unwirt schaftlich: Um die Dampfbildung zu vermeiden, wird erfindungsgemäss bei dem vorliegenden Verfahren der Umlaufwasserkreislauf ge regelt. Diese Regelung erfolgt selbsttätig, da die Regelung von Hand - nur ein rohes Anpassen ermöglicht und ausserdem eine ständige Bedienung erfordern würde.
Eine Dampferzeugungsanlage zur Aus führung dieses Verfahrens weist gemäss der Erfindung ein in dem Umlaufwasserkreis lauf angeordnetes Ventil -und ein Steuerorgan auf, das dieses Ventil in Abhängigkeit von einem der massgebenden Faktoren, das heisst der Temperatur, dem Temperaturunterschied oder dem Drucktemperaturunterschied, be- einf lusst.
In den Fig. 1 und 5 bis 10 ist ,je ein Ausführungsbeispiel einer Anlage zur Aus übung des vorliegenden Verfahrens darge stellt, während die Fig. 2 und 3 je ein Dia gramm und die Fig. 4 eine Einzelheit zeig..
In Fig. 1 ist 2 eine Umwälzpumpe, durch welche das aus dem Verdampfer 1 entnommene Nasser unter Druck gebracht und dem Heizkörper 3 zugeführt. wird. Das erwärmte Wasser gelangt über das Regel ventil 4 und die Einspritzvorrichtung 5 zu rück in den Verdampfer 1, wo der sich bildende Dampf abgeschieden wird, und das nicht verdampfte Wasser von neuem der Pumpe zufliesst.
Die vorzunehmende Regelung hängt ab von der Charakteristik des zur Umwälzung vorgesehenen Organes. Bei einer Zentrifugal pumpe ist die Regelung zum Beispiel ver schieden, je nach dein die Pumpe eine flache oder steile Charakteristik besitzt. In den Fig. 2 und 3 sind beispielsweise die Drucli#volumenkurven zweier Zentrifugal pumpen angegeben.
Die Betriebspunkte bei normalem Betriebe sind ct. Will man bei einer Charakteizstik nach Fig. 2 mehr Wärme mit dem Umwälzwasser abführen, als dem normalen Betrieb entspricht, so ist durch Offnung eines Regelventils die Umlauf wassermenge zu vergrössern.
Dabei geht -wohl der Druck in dem System etwas zurück, die Wassermenge steigt aber unverhältnismässig schneller an, so da.ss die Wärmeaufnahme fähigkeit im ganzen grösser -wird. Soll da gegen bei einer Charakteristik nach Fig.3 mehr Wärme in dem Umwälzlueislauf auf genommen -werden, so wird zweckmässig durch Schliessen des Regelventils der Druck erhöht werden.
Dabei geht die in der Zeit einheit; umgewälzte Wassermenge zwar zu rück; aber hier steigt der Druck unverhält nismässig schneller, als die Wassermenge ab nimmt, so dass das System im ganzen trotz des Rückganges der Wassermenge mehr Wärme aufnehmen kann, ohne dass die Ge- fahr der Dampfbildung eintritt. Man kann sagen, dass im ersten Falle die Wassermenge, im zweiten Falle dagegen der Druck geregelt wird.
In beiden Fällen wird man zR-ecl@inässiber- weise mit. der Temperatur, auf welche das Wasser erwärmt wird, möglichst nahe an die Sättigungstemperatur herangehen, die dem Druck entspricht, unter -elchen das Um laufwasser durch die Pumpe gebracht -wird. um die Energieaufnahme des Förderorganes möglichst klein zu halten.
Da. bei der flachen Charakteristik die Förderhöhe der Pumpe bei allen Belastungen nahezu gleich ist, regelt mauz bei dieser Charakteristik vorteil haft so, dass auch die Erwärmung des Was sers, das heisst seine Temperaturerhöhung, in dem Heizkörper konstant bleibt. Eine solche Regelung ist bei steiler Charakteristik ungeeignet.
Bei. nicht- ganz flacher Chara.1;te- ristik regelt man den Umwälzkreislauf deshalb besser so, dass der Unterschied zwischen dem Druck, unter welchem das Wasser durch die Pumpe gerade gehalten wird, und dem der gerade erreichten Wassertemperatur entspre chenden Sättigungsdruck oder der Wasser temperatur und der dem Wasserdruck ent sprechenden Sättigungstemperatur gleich oder nahezu gleich gehalten wird.
Die Re-Plung der Wassermenge erfolg zum Beispiel durch einen Thermostaten, -welcher die Temperaturdifferenz an beiden Enden des Heizkörpers konstant hält; da durch -wird die Wassermenge der jeweiligen @Värmezufuhr angepasst.
Die Drosselung erfolgt in zwei Stufen. in dem Regelventil 4 und der Einspritzvor- rieh.tung# 5 oder einem vorgeschalteten beson deren Drosselor-aii 5a. Die Drosselwirkung des Regelventils 4 kann beschränkt sein auf die zur Verhütung der Dampfbildung bei Belastungsänderungen erforderlicheDruck- steigerung. Bei entsprechender Ausbildung des Regelorganes, zum Beispiel nach Art einer Düse, kann die besondere Drosselvor richtung 5a unter Umständen ganz fort fallen.
-Die Drosselung in der Einspritzvor- richtung 5 bezw. dem Drosselorgan 5a dient dazu, den Wasserdruck zu verringern, um die Dampfbildung zu erzielen; ..sie -erfolgt zweckmässig am Eintritt in den Verdampfer oder in diesem, wobei die Energie, die der Druckverminderung entspricht, gleichzeitig dazu verwendet werden kann, das Wasser zu begünstigen. Wichtig ist dabei die Aus bildung des Verdampfers, derart, dass die Ablösung der Dampfblasen begünstigt, die zur Abscheidung des Dampfes erforderliche Flüssigkeitsoberfläche in einem möglichst kleinen Raum untergebracht wird, und dass genügend Querschnitt zur Abführung des Dampfes vorhanden ist, unter Beachtung der Tatsache,
dass das Dampfvolumen bedeu tend grösser ist als das Volumen des zu strömenden und abströmenden Wassers. Zweckmässig wird das zu entspannende Was ser bezw. das Dampfwassergemisch dem in der Regel in zylindrischer Form ausgebil deten Verdampfer in tangentialer Richtung zugeführt, oder es wird das zu entspannende Wasser einem in dem Verdampfer in senk rechter Richtung angeordneten Verteilungs stück (Einspritzkopf) so zugeführt, dass das Gemisch aus im wesentlichen fächer artig angeordneten Öffnungen oder Schlitzen in dünnen Wänden austritt, so dass sich der Dampf an den Oberflächen dieser Wände abscheiden kann,
und in den durch die Ver- fächerung gebildeten Zwischenräumen ab geleitet wird. Bei dieser Anordnung-ist die Regelung in einfacher- Weise dadurch zu er möglichen, dass ein Teil der übereinander oder nebeneinander angeordneten Öffnun gen bezw. Schlitze jedes Strahlenbüschels bei Verringerung der Wärmezufuhr abge deckt wird. Selbstverständlich ist es jeder zeit möglich, Hauptdrosselorgan 5 bezw. 5a und Regelorgan 4 miteinander zu verbinden, so dass die Drosselung und die Regelung in einem einzigen Organ erfolgt.
In besonderen Fällen kann es, zweckmässig sein, die Haupt drosselung dadurch zu vermeiden, dass der Verdampfer höher aufgestellt wird als der Heizkörper, wobei die Dampfbildung in dem Heizkörper dadurch verhütet wird, dass der Drück in ihm um die der Niveaudifferenz entsprechende Wassersäule grösser ist.
Bei Verwendung, geeigneter Antriebs maschinen kann die Regelung des Umwälz- kreislaufes anstatt durch Querschnittsände- rung in dem Umwälzkreislauf durch Än derung der Drehzahl des Förderelementes erfolgen.
In der Fig. 4 ist eine Vorrichtung an gegeben, die es ermöglicht, so zu regeln, dass der Unterschied zwischen dem Wasserdruck und dem seiner Temperatur entsprechenden Sättigungsdruck bezw. zwischen der Wasser temperatur und der dem Wasserdruck ent sprechenden Sättigungsverfahren konstant bleibt.
Zu diesem Zwecke ist eine Membran regelung vorgesehen, bei welcher ein Hohl körper etwa nach Art derjenigen, die in Aneroidbarometern gebraucht werden. Ver wendung findet. Ein solcher flacher llZem- brankörper 1 ist in der Abbildung dargestellt, und zwar liegt er im Umlaufwasserkreislauf. Von aussen wirkt auf denselben der Wasser druck pf, der durch die aussen gezeichneten Pfeile angedeutet ist. Dieser Membranhohl- körper 1 ist mit einem in der Figur röhren förmig angedeuteten Wärmeaustauschkörper 2 verbunden.
Durch Oberflächenübertragung nimmt das in diesem Wärmeaustauschkörper liegende Wasser die Temperatur des Um laufwassers an. Da. das Innere des Teils 2 mit dem Innern des Membranhohlkörpers verbunden ist, besteht im Innern dieses Kör pers der Druck, der der Sättigungstempe ratur des Umlaufwassers entspricht. Es ist einleuchtend, dass Bewegungen des Membran hohlkörpers bei Schwankungen des Verhält nisses zwischen Sättigungstemperatur und Umlaufwasserdruck entstehen müssen. Diese können als Steuerimpulse dienen, die in be kannter Weise unmittelbar durch Hebel oder mittelst einer Steuerflüssigkeit auf das Regelventil 4 übertragen werden.
Die Emp findlichkeit dieser Steuerzelle ist um so grösser, je grösser die wärmeaufnehmende Oberfläche im Verhältnis zu dem Flüssig keitsinhalt ist. Es ist auch möglich, dass auf die Verstellmembra.ne oder den Kolben eines Presswasserzylinders einerseits der Wasser druck, anderseits ein Thermostat oder der Druck einer Steuerflüssigkeit wirkt, der in bekannter Weise iss 3bhäsigigkeit von der Wassertemperatur etwa mittelst eines Ther mostaten geregelt wird.
Ein besonderer Vorteil der Dampferzeu- gungsanlage mit zwangsläufigem Wasser umlauf ist die Anpassungsfähigkeit der Heizkörper, wodurch insbesondere die Mög lichkeit besteht, mehrere Wärmequellen zu sammenzufassen. Es kann zum Beispiel das Wasser nacheinander durch zwei oder ineh- rerc,, in verschiedenen Wärmequellen ange ordnete Heizkörper 15, 14, 18 (Fig. 8) ge schickt werden. In diesem Falle ist nur ein gemeinsames Regelventil 17 erforderlich.
Es können aber auch zwei Verdampfer, 18, 19, hintereinander angeordnet und das Was ser stufenweise entspannt werden, zum Bei spiel zuerst in dem Ventil 17 auf 15 atü und dann in dem Ventil 20 auf beispiels weise 8 a.tit, so dass von dem Verdampfer 18 Dampf von 15 atü und von dem Verdampfer 19 Dampf von 8 atü abgegeben wird.
Erst aus dem Verdampfer 19 fliesst das Wasser wieder der Pumpe 16 zu. 3n den einzelnen Heizkörpern sind Umgehungsleitungen, U,, i < '2, L'." mit Ventilen V, bis V, angeordnet, so dass die einzelnen Heizkörper zum Beispiel je nach der Menge der anfallenden Wärme um gangen und vollständig oder teilweise aus dem Kreislauf ausgeschaltet werden können. Es rönnen auch Leitungen und Ventile angeord net werden, die es ermöglichen, die Heiz körper wahlweise parallel oder hintereinander zii schalten.
In Fig. 9 ist U eine Umgehungsleitung zu dein ganzes. Heizkörperszstem. Diese Leitinig hat den Zweck, beim Anfahren die Heizkörper aus dein Irreislauf so lange aus zuschalten, bis das aus dem Verdampfer 1 entnommene Umwälzwasser auf genügend hohe Temperatur erwärmt ist, da.ss ein Nie derschlauen des in den Rauchgasen etwa, ent- hallenen Wasserdampfes sicher vermieden wird.
Die Erwärmung des Wassers kann in der Weise erfolgen, dass das kalte Wasser in den Verdampfer einbespritzt wird, wobei aus andern Dampferzeugungsanlagen durch die Dampfleitung nachströmender Dampf niedergeschlagen wird. Der Verdampfer wirkt also anfänglich als Einspritzkondensator.
In Fig. I(1 sind in derselben Wä.rmequellc, zum Beispiel in dem Abgasstrom eines Brennofens, mehrere Heizkörper angeordnet, und es wird das in ,jedem Heizkörper er wärmte Wasser über einen oder mehrere be sondere Verdampfer umgewälzt. Dadurch entstehen drei verschiedene Systeme, von denen jedes mit seinem besonderen Regel organ, .1@, 4@', -1"", versehen ist.
Diese An ordnung hat den Zweck, dass, entsprechend der Höhe der Temperatur der anfallenden Raucligasi@ in dein ersten Heizkörper und Verdampfer hochgespannter Dampf und in den folgenden niedriger gespannter Dampf -erzeugt werden kann. 3n Stelle der drei verschiedenen Heizkörper kann auch ein Heiz körper verwendet. werden, der unterteilt und mit Anzapfstellen versehen ist.
Insbesondere ist es zweckmässig. das erforderliche Speise wasser in einem solchen Teil des gesamten Heizkörpers bezw. Heizkörpersystems vor zuwärmen. Man kann such bei wechselnden Betriebsverhältnissen mehrere Heizkörper wahlweise parallel oder hintereinander schalten.
Fin @i'ärnievcrluac in dem Prozess durch den Kraftbedarf der ,Pumpe zu vermeiden, kann man die Pumpe durch eine Dampf kraftmaschine antreiben, deren Abdampf in an sich bekannter Weise zur Vorwärmung des Speisewassers dient oder durch eine IrTa.ftniascliiise, die zwischen zwei Verdamp fer verschiedenen Druckes eingeschaltet ist.
In beiden Fällen bleibt die gesamte Energie mit Ausnahme der äussern Verluste, zum Beispiel der Lagerreibung, dem Prozess er halten.
Die Schwankungen in der Wärmezufuhr können zeitlich gleichlaufend mit Schwan kungen im Dampfbedarf vor sich gehen; in der Regel sind sie jedoch voneinander ver- schieden. Je mehr sieh demnach die Dampf- (.rzcugung infolge der angegebenen. Regelung den etwa auftretenden Schwankungen in der '\j'ärmezufuhr anzupassen vermag, desto mehr gewinnt die Frage des Ausgleiches zwischen M'ärmezufuhr und Bedarf an Be deutung.
(Die Verwendung von Speichern in Verbindung mit dem angegebenen Ver fahren stellt demnach eine wesentliche Er weiterung des Verfahrens dar.) Für den praktischen Betrieb ist es dabei gleichgültig, ob der Unterschied zwischen Wärmezufuhr und Bedarf mehr durch Schwailkungen der Wärmezufuhr oder durch Schwankungen im Wärme- bezw. Dampfbedarf begründet ist.
Der Ausgleich zwischen Wärmezufuhr und Wärmebedarf kann zunächst dadurch erfolgen, dass man zu Zeiten geringeren Wärmebedarfes eine verstärkte Speisung vornimmt und das nicht verdampfte Speise wasser einem Behälter zuführt, während zu Zeiten grosser Belastung die Speisung mit kaltem Wasser eingestellt und das Was ser aus dem eben genannten Behälter ent nommen wird.
Zweckmässiger sind noch die in Fig. 5 und 6 dargestellten Schaltungen von Spei... ehern, bei welchen die Speisung an und für sich gleichmässig bleiben kann. In beiden Fällen dient das Umlaufwasser als Speicher flüssigkeit, und die Wirkung erfolgt so, dass bei erhöhtem Dampfbedarf das kalte Speise wasser in den Speicher kommt und dafür aus demselben heisses Wasser in den Kreis lauf kommt. Bei der Anordnung nach Fig. 5 dient der Verdampfer 1 zugleich als Speicher. Der Speicher steht also hier unter dem Dampfdruck; bei Fig. 6 dagegen steht der Speicher unter dem Druck, unter dem die Flüssigkeit in den Heizkörpern steht.
Bei einer Anordnung nach Fig. 5 kann die Um wälzpumpe 2 gleichzeitig als Pumpe für den Speicher dienen. Ausserdem hat diese Anord nung den Vorteil, dass das erwärmte Wasser unmittelbar in den Speicher eingespritzt wer den kann. Bei Fig. 5 wird das Wasser dem Speicher 1. entnommen, durch die Pumpe 2 unter erhöhten Druck gebracht und dem Heizkörper 3 zugeführt, gelangt nach Er wärmung über das Regelventil 4 und die Drossel- bezw. Einspritzvorrichtung 5 zu rück in den Speicher 1. An dem Speicher sind verschiedene Stutzen 6 und 7 vorgesehen. Im Normalbetrieb wird das Wasser aus dem Stutzen 6 entnommen. Das Wasser wird also lediglich über den obern Teil des Speichers umgewälzt.
Der untere Teil des Speicher behälters, das heisst der eigentliche Speicher raum ist dabei ausgeschaltet. Ist nun der Speicher unter Druckabfall entladen worden und wird hierauf beispielsweise -weniger Dampf verbraucht oder mehr Wärme im Heizkörper 7 zugeführt, so dass der Speicher wieder aufgeladen werden kann, so wird zu nächst das Wasser weiter aus Stutzen 6 ent nommen, bis der volle Dampfdruck wieder erreicht ist. Erst dann wird zwecks Wieder aufladung das Wasser unten aus dem Spei cher aus Stutzen 8 entnommen, umgewälzt und fliesst nach Erwärmung, teilweiser Ver dampfung und Abkühlung auf die dem vol len Dampfdruck entsprechende Sättigungs temperatur oben dem Speicher wieder zu.
Der Speicher füllt sich also von oben' her allmählich mit Wasser höherer Temperatur an. Die Umschaltung erfolgt zweckmässig selbsttätig, etwa. in Abhängigkeit vom Dampfdruck, in der Weise, dass das Was ser bei normalem Dampfdruck und bei sin kendem Druck, das heisst bei verminderter Wärmezufuhr im Heizkörper oder bei er höhtem Dampfbedarf, aus Stutzen 6 ent nommen wird, dagegen bei S, wenn der Dampfdruck über den Normaldruck zu stei gen beginnt.
In Fig. 6 ist eine weitere Speicheranord nung dargestellt, in welcher Speicher und Verdampfer getrennt sind. Der Verdampfer ist in der Figur mit ja und der Speicher mit 1b bezeichnet. Es sind zwei Umwälz- pumpen 2a und 2b vorgesehen, welche ver schiedene Wassermengen durch entsprechende Regelung führen können. Die Zufuhr des Ersatzwassers geschieht durch die mittlere der unten am Speicher 1b angeschlossenen Leitung.
Bei Gleichgewicht zwischen Wärme- zufuhr im-Heizkörper 3 und Wärmeabgabe aus dem Verdampfer la fördern beide Pum pen 2a und 21) die gleiche Wassermenge, abgesehen von der durch die Speisung zu geführten Menge, um welche die durch die Pumpe 21) geförderte Menge grösser ist. Der Speicher l.1) ist im Normalfall aus dem Kreislauf ausgeschaltet, das oberhalb des Speichers befindliche Ventil 9 ist geschlos sen.
Ist der Wärmebedarf grösser als die Zufuhr, so wird durch Regeln des Ventils 10 im Kreislauf<U>12</U> 2a-11)-10-11 ein Weg geöffnet; so dass heisses Wasser aus dem Speicher dem Verdampfer und damit. dem TTmwälzkreis zugeführt wird, während mit- telst der Pumpe 2a kaltes Wasser aus dem Kreislauf abgeführt wird und unten in den Speicher kommt.
Besteht dagegen Überschuss an Wärmezufuhr, so wird durch Öffnen des Ventils 9 einem Kreislauf lb-2b-3-9 die Möglichkeit gegeben, überschüssiges heisses Wasser aus dem Heizkörper 3 dem Speicher von oben zuzuführen, während eine ent sprechende Menge kalten Wassers von unten dem Speicher entnommen wird. Der Spei cher wird auf diese \''eise wieder auf geladen.
Eine andere Anordnung ist in I\ig. 7 dargestellt. Bei (fieser kann durch das Regel ventil 6/8 der Speicherinhalt 1, der hier gleichzeitig wieder Verdaanpfer ist, aus dem Kreislauf ausgeschaltet werden. Dieses Re gelventil, welches in Abhängigkeit vom Druck gesteuert werden kann, arbeitet so, dass bei steigendem Druck, also wenn I1ber- schuss an Wärme vorhanden ist, der Um gehungsweg zum Speicher geschlossen wird, also das als kalt angenommene Speicher wasser durch den Heizkörper 31) umgewälzt wird.
Ist dagegen Mangel an Wärme, so wird der Umgehungsweg geöffnet, wodurch der ,Speicherinhalt aus dem Kreislauf aus geschieden wird. Genügt dieses nicht, um das Gleichgewicht herzustellen, so wird der Speicher, falls die Entnahme so gross wird, dass der Dampfdruck sinkt, durch Druck entspannung entladen und Dampf abgeben.
Um auch bei Aussetzen der Umwälz- pumpe Dampfbildung im Umlaufkreislauf zu verhüten, wird eine Vorrichtung 21, 22 (Fig. l) vorgesehen, durch die die Rauch gase umgelenkt werden, wenn infolge Aus set7ens der Umwälzpumpe <B>:),</B> die Strömung im Umlaufwasserkreislauf aufhört oder der Druck abfüllt. Die Umlenkvorrichtung 21, 22 wird durch ein Steuerorgan 23 betätigt, das anspricht. wenn die ITmivälzpumpe 2 aussetzt oder die @Ä'asserströmung im Um wälzkreislauf aufhört.