Dampferzeuger mit Druckfeuerung. Die vorliegende Erfindung betrifft Dampf erzeuger zur Erzeugung reinen Dampfes für verschiedene Zwecke und von beliebigem Druck, bei welchen der Brennstoff unter einem den Atmosphärendruck überschreiten den, gleichbleibenden Druck verbrannt wird. Die hierfür erforderliche Druckerhöhung des Brennstoff-Luftgemisches erfolgt dabei durch einen Verdichter, den eine Gasturbine an treibt.
Es bilden die Dampferzeuger, bei denen Verdichter und Gasturbine einen wich tigen Bestandteil der Anlage ausmachen, einen Grenzfall für die Gasturbinen im all gemeinen, indem hier den Feuergasen zum Zwecke der Dampferzeugung mehr Wärme entzogen wird als zur notwendigsten Ernie drigung der Treibgastemperaturen und zur Kühlung der Wände (aus Festigkeitsgrün den)- erforderlich ist, so dass zur Energie erzeugung in der Gasturbine schliesslich nur noch so viel Wärmegefälle übrig bleibt, als die Gasturbine zum Beispiel zum Antrieb des Verdichters benötigt. Der Zweck der Anlage ist eben die Erzeugung von- Dampf, der zum Betrieb von Dampfturbinen- dient, und nicht die Erzeugung nutzbarer Energie durch eine Gasturbine.
Bei den bisher vor geschlagenen Dampferzeugern der beschrie benen Art hielt man sich bisher trotzdem eng an die Verhältnisse, wie sie für eine Gas turbinenanlage die gegebenen sind. Man wählte zum Beispiel sehr hohe Verdichtungs drücke, oder man liess sich umgekehrt, durch das Vorbild des Aufladens von Brennkraft- maschinen verleiten und schlug vor, die Gas turbine als reine Abgasturbine mit kleinem Druckgefälle auszuführen und an das Ende des Reizgasstromes zu setzen. In jedem Falle trachtet man darnach, das in der Tur bine ausgenutzte Druckgefälle möglichst gleich dem im Verdichter erzeugten Druck anstieg zu machen, das heisst man vermied im eigentlichen Dampferzeuger jeden grösse ren Druckabfall.
Der Dampferzeuger unter schied sich dann von einem gewöhnlichen, öl- oder gasgefeuerten Dampferzeuger nur inso- fern, als der höhere Verbrennungsdruck eine andere Ausbildung des Feuerraumes und der Feuergaszüge mit sich brachte und durch die Druckerhöhung auch eine gewisse Verkleine rung der Heizflächen möglich war. Die durch die Druckerhöhung erzielten Vorteile blieben aber gering und wogen kaum die Nachteile und Mehrkosten auf, die mit der Erhöhung des Druckes in der Brennkammer und den hierzu erforderlichen Hilfsmaschi nen verbunden waren. Es fanden daher die druckgefeuerten Dampferzeuger mit Gastur bine auch keine praktische Anwendung.
Grössere Bedeutung dürfen die druck gefeuerten Dampferzeuger aber erlangen, wenn neben -den Vorteilen, die aus der Ver kleinerung der Heizflächen infolge der hö heren Dichte der Heizgase erzielbar sind, auch noch die Vorteile zunutze gemacht werden, die sich ergeben, wenn man den Druckunterschied zwischen Brennkammer und Aussenluft zur Erzeugung sehr hoher Strömungsgeschwindigkeiten der Heizgase und damit zu einer noch wesentlicheren Er höhung des Wärmeüberganges und Verringe rung der Heizgasquerschnitte und der Heiz flächen verwendet.
So ist schon vorgeschla gen worden, hohe Heizgasgeschwindigkeiten zu erzeugen, indem man durch Verpuffung geeigneter Brennstoff-Luftgemische in Brenn- kammern, die durch Ventile abschliessbar sind, hohe Drücke herstellte und die hoch gespannten Gase dann durch die als Heiz flächen dienenden Heizrohre abströmen liess;
oder man. hat .durch einen Verdichter das Brennstoff-Luftgemisch in der Brennkam- mer auf gleichbleibendem höherem Druck gehalten und dauernd mit einer Geschwin digkeit durch die Heizrohre getrieben, die nahe an .die Schallgeschwindigkeit heran kam, oder sie erreichte. Bei .der ersten Art Dampferzeuger ("Verpuffungs"-Dampferzeu- ger) hat man zum Antrieb eines Auflade verdichters auch eine Abgasturbine vor geschlagen, die von den abgekühlten, aber teilweise noch hochgespannten Heizgasen gespeist wird.
Unmöglich ist dagegen bei der zweiten Art, dem "Gleichdruck"-Dampf- erzenger, der Betrieb einer Gasturbine mit abgekühlten Heizgasen, da hier das Druck gefälle allein vom Gebläse geliefert wird, also das in der Gasturbine verfügbare Druck gefälle schon an sich bedeutend niedriger ist als der im Verdichter herzustellende Druck anstieg und überdies noch die Heizgase ein bedeutendes Druckgefälle aufzehren, wenn sie mit ungefährer Schallgeschwindigkeit durch die Heizrohre fliessen sollen.
Die vorliegende Erfindung betrifft nun einen Dampferzeuger mit Druckfeuerung nach Art der oben erwähnten "Gleichdruck- dampferzeuger", bei welchem aber die Ver wendung der Gasturbine dadurch möglich gemacht werden soll, dass einerseits zwar hohe Heizgasgeschwindigkeiten gewählt wer den (etwa 200 m/Sek.), diese aber um eini ges unter der Schallgeschwindigkeit bleiben und anderseits die Gasturbine dabei ,so in den Heizgasstrom eingeschaltet wird, dass das Druckverhältnis der Entspannung in der Gasturbine kleiner, höchstens<B>0,8</B> Mal so gross ist .als das Druckverhältnis der Verdichtung im Verdichter.
Dieses Verhältnis wird bei spielsweise ermöglicht, wenn die Gasturbine derart in einer weder zu nahe am Beginn, noch zu nahe am Ende des Wärmeausnut- zungsbereiches der Rauchgase gelegenen Temperaturzone vorgesehen wird, dass das Temperaturgefälle der Rauchgase in der Gasturbine trotz kleineren, zu verarbeitenden Druckunterschiedes mindestens gleich wird der Temperaturzunahme der Luft während der Verdichtung. Damit verbleibt aber so wohl vor der Gasturbine, wie nach der Gas turbine ein gewisses Druckgefälle, das, ver bunden mit der hohen Temperatur, den Heizgasen hohe Geschwindigkeit (etwa 200 m/Sek.) erteilt.
Hierbei wird noch von dem Umstand praktisch Gebrauch gemacht, dass der Rohrwiderstand der Rohre noch dadurch vermindert wird, da.ss der Wärmeentzug eine Geschwindigkeitsminderung herbeiführt, die eine Rückverdichtung der Heizgase zur Folge haben kann. Zweckmässig wird die noch ver bleibende hohe Strömungsgeschwindigkeit in je einem an die Heizrohre anschliessenden Diffusor in Druck zurückverwandelt. Es las sen sich also mit verhältnismässig geringen Druckunterschieden hohe Geschwindigkeiten aufrecht erhalten, so dass die Abmessungen. der Heizflächen und der Rauchgaszüge über raschend klein werden.
Da durch die Ver kleinerung der sämtlichen Abmessungen auch die Wassermassen verringert werden und ferner durch Regelungsmöglichkeit des Verdichters für die Brennluft und des zuzu führenden Brennstoffes die Feuerführung unmittelbar und kurzzeitig geregelt werden kann, so kann der Dampferzeuger ohne Sammler auskommen.
Die Abbildung zeigt schematisch den Schnitt durch einen Dampferzeuger gemäss der Erfindung. Es ist 1 die Brennkammer, in welcher die bei 2 regelbar eintretende Druckluft und der bei 3 regelbar zugeführte Brennstoff, zum Beispiel Gas, 01 oder Koh lenstaub, verbrannt wird. Der zylindrische Teil der Kammer ist an der Wand mit Roh ren 4 eng besetzt, um die .Strahlungswärme von der druckfesten Zylinderwand 5 abzu halten. Diese Rohre werden von dem zu ver dampfenden Wasser durchflossen. Das Was ser wird zu diesem Zwecke mit einer Um- wälzpunpe (nicht sichtbar) bei 6 in den ke- geligen Unterteil 7 gedrückt und verteilt sich gleichmässig auf die einzelnen Rohre.
Die heissen Verbrennungsgase geben zunächst durch Strahlung und Berührung einen Teil ihrer Wärme an die Rohre 4 ab. Etwas ab gekühlt treten sie dann durch eine düsen- förmige Mündung bei 8 in die Heizrohre 9 ein.
Diese Heizrohre sind innerhalb der Was serrohre 4 angeordnet und enden mit einer diffusorartigen Erweiterung 10, in dem Sam melrohr 11, das mit der Gasturbine 12 ver bunden ist. Die Leitvorrichtung der Gas turbine ist so bemessen, & ss der sich vor der (sasturbine einstellende Druck um mehrere Meter Wassersäule niedriger ist als der Druck in der Brennkammer. Dieser Druck unterschied erteilt den mit hoher Temperatur vor die Düsen 8 tretenden Heizgasen eine so hohe Strömungsgeschwindigkeit, dass schon verhältnismässig kurze Rohre genügen, um an diesen den Grossteil des Dampfes zu er zeugen und die Gase so weit abzukühlen, wie es für den Betrieb in der Gasturbine erforderlich ist.
Die Höhe dieser Tempera tur ist einerseits bestimmt durch die Lei stung, die die Gasturbine zum Antrieb des Verdichters aufbringen muss, anderseits durch die Festigkeitseigenschaften des verwendeten Schaufelbaustoffes. Die Entspannung der Gase in der Gasturbine geht jedoch nicht bis zum atmosphärischen Gegendruck, sondern nur bis zum Gegendruck, der hinreicht, um auch den Abgasen noch eine grosse Strö mungsgeschwindigkeit zu erteilen.
Es ver lassen die Gase also bei 13 die Gasturbine mit Überdruck, gelangen in das Verteilrohr 14 und durchströmen die ebenfalls in die Wasserrohre verlegten Heizrohre 15 mit hoher Geschwindigkeit, um dann durch die Diffusoren 16 in das Sammelrohr 17 zu tre ten, von wo sie durch Anschlussrohr 18 ent weder unmittelbar ins Freie, oder in einen Wasser- oder Luftvorwärmer gelangen.
Der sieh bildende Dampf wird durch die Strömung .des Umlaufwassers in den Raum 19 gerissen. Das Dampf-Wassergemisch tritt durch die Turbinenleitschaufeln ähnlichen Öffnungen 20, die dem Strom eine kreisende Bewegung erteilen, in,den Raum 21, wo sich der Dampf ausscheidet und in das ebenfalls als Fliehkraftabscheider ausgebildete Gefäss 22 übertritt. Das nicht verdampfte und das bei 23 frisch zugeführte Wasser fliesst durch Rohr 24 zur Umwälzpumpe zurück. Der Dampf geht dagegen über Überhitzen 25 zur Verbrauchsstelle.
Die Arbeitsleistung der Gasturbine wird allein für Hilfszwecke, das heisst im wesent lichen für die Verdichtung der Brennluft verwendet. Es ist 26 der Verdichter. Durch Rohr 27 gelangt die verdichtete Luft zum Brenner 28. Das durch die Arbeitsleistung in,der Gasturbine verbrauchte und daher für die Dampferzeugung fehlende Wärmegefälle wird dem Wärmekreislauf durch die Luft in Form von Verdichtungswärme nahezu voll ständig wieder zugeführt. Voraussetzung ist allerdings, ' dass im Verdichtungsvorgang keine Wärmeabfuhr, zum Beispiel keine Küh lung, stattfindet.
Es soll daher die Kühlung vermieden und aus diesem Grunde die Ver dichtung nur so hoch getrieben werden, dass die Kühlung entbehrt werden kann.
Die Anordnung der einzelnen Teile kann natürlich auch in anderer Weise erfolgen. So können zum Beispiel die Heizrohre auch in Verdampfergefässen, die von der Brenn- kammer getrennt sind, verlegt werden.
Das Wesen der Erfindung wird dadurch nicht berührt, das darin besteht, dass die Gastur bine, die nur Hilfsarbeit für den Dampf erzeuger liefert, weder am Anfang noch am Ende des nutzbaren Heizgastemperaturberei- ches gelegen ist und ein Druckgefälle ver arbeitet, das kleiner ist als das Druckgefälle des Verdichters, zum Zwecke, hohe Strö mungsgeschwindigkeiten in den Heizrohren zu erhalten.