CH620498A5 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Hochdruckdampf, wobei in einem Kessel oder Erhitzer vorgesehenen Zellen Abdampf als Niederdruckdampf zugeführt wird, in welchem der Druck und die Temperatur des Abdampfes erhöht und der so gewonnene Frischdampf als Hochdruckdampf einem Verbraucher zugeführt wird.

Bei einer bekannten Vorrichtung der genannten Art (Dt-PS 309 921) ist innerhalb eines Kessels eine solche Zelle angeordnet, die aus einer Rohrschlange besteht, welche um eine Hohlwelle drehbar in dem Kessel gelagert ist. Die Hohlwelle ist in zwei in axialer Richtung hintereinander liegende Kammern unterteilt, wobei das eine Ende der Rohrschlange in die eine Kammer und das andere Ende in die andere Kammer einmündet.

Während der Drehbewegung wird abwechselnd die eine und danach die andere Einmündung der Rohrschlange in die Hohlwelle durch Wasser verschlossen, welches in beiden Kammern der Hohlwelle sich befindet.

Bei dieser bekannten Vorrichtung wird der umlaufenden Zelle Abdampf zugeführt, sobald die Eintrittsöffnungen der Rohrschlange oberhalb des Wasserspiegels in der Hohlwelle anlangt. Dabei ist das Austrittsende der Rohrschlange unterhalb des Wasserspiegels in der anderen Kammer angeordnet. Der in der Zelle befindliche Abdampf soll in dem Kessel erhitzt und in Frischdampf verwandelt werden. Es gelingt jedoch nur unvollkommen, da der Druck der Wassersäule auf der Austrittsseite der Rohrschlange den erzielbaren Dampfdruck begrenzt. Sobald der Druck innerhalb der Zelle den Dampfdruck auf der Eintrittsseite und den Druck der absperrenden Wassersäule auf der Austrittsseite überschreitet, wird die umlaufende Zelle nach beiden Seiten Dampf abblasen, d. h. neuer Abdampf kann gar nicht erst in die Anlage eintreten.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dieses bekannte Grundprinzip zu einer arbeitsfähigen Vorrichtung auszugestalten, die einen besseren Wirkungsgrad besitzt.

Zur Lösung der genannten Aufgabestellung sieht die Erfindung vor, dass mehrere in zwei Trommeln verteilte Zellen vorgesehen sind, die nacheinander zyklisch durch heissere und kühlere Bereiche des Kessels geführt werden. Dabei wird in jeder Zelle der ersten Trommel nach der Aufnahme von Abdampf der Druck des Dampfes im heissen Bereich stufenweise erhöht, teilweise infolge des Temperaturanstieges bei konstanten Volumen, teilweise infolge der Dampfaufnahme bei verschiedenen Stufen von den Zellen der zweiten Trommel, die sich im neutralen Bereich befinden. Nach der Abgabe von Hochdruckdampf an den Verbraucher werden die Zellen im neutralen Bereich stufenweise entladen in die Zellen der anderen Trommel, die sich im heissen Bereich befindet, und anschliessend wird in einem gekühlten Bereich der Dampfdruck der Zellen erniedrigt, um eine neue Ladung mit Abdampf zu ermöglichen.

Ein Vorteil der Erfindung wird darin gesehen, dass der Wirkungsgrad einer Wärmekraftanlage erhöht wird. Der Kühlwasserverbrauch und der Wärmeverbrauch bekannter Kondensatoren stellt nicht nur ein der Lösung harrendes technisches Problem, sondern auch ein Problem des Umweltschutzes dar.

Die bisher an das Kühlwasser einer Wärmekraftanlage abgegebene Wärmemenge wurde bisher als unvermeidlicher Verlust in Kauf genommen. Hier schafft die Erfindung ebenfalls Abhilfe.

Eine erfindungsgemässe Vorrichtung, die sich zur Durchführung dieser Arbeitsweise eignet, ist dadurch gekennzeich-

3

620498

net, dass die Zellen in zwei Trommeln angeordnet sind um ein mittleres, feststehendes Mantelrohr herum umlaufend, welches die Abdampfleitung und die Abfuhrleitung enthält und welches mit den Zellen nacheinander in Verbindung tretende Öffnungen sowie die Zellen mechanisch verschliessende Wandungsbereiche aufweist.

Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die paarweise vorgesehenen Trommeln in jeweils entgegengesetzter Richtung angetrieben sind und deren Zellen einseitig offen sind und über einen Teil des Umfangs, auf dem sie angeordnet sind, mit Öffnungen der Abdampfleitung in Verbindung stehen und über einen Teil des Umfangs mit der Abfuhrleitung in Verbindung stehen, dass einander entsprechende Zellen eines Paares von Trommeln mittels Kanälen miteinander verbunden sind, die auf einem Teil des bei Drehbewegung durchlaufenden Umfangs angeordnet sind, und dass die Trommeln auf einen Bereich des Umfangs in einen Kesselraum und auf einem anderen Bereich des Umfangs in einen gekühlten Raum hineinragen, wobei die in den Kesselraum ragenden Bereiche eines Paares von Trommeln gegeneinander versetzt angeordnet sind, und wobei, in Drehrichtung jeder Trommel gesehen, zwischen dem heissen Bereich und dem gekühlten Bereich ein neutraler Bereich vorgesehen ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, die Dampfverluste durch Verdampfen von Kühlwasser auszugleichen und den so erhaltenen Dampf dem Frischdampf beizumischen. Zu diesem Zweck kann das Mantelrohr einer erfin-dungsgemässen Vorrichtung einen von Kühlwasser durchströmten Ringraum aufweisen, der austrittsseitig mit einem Verdampfer in Verbindung steht.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der Beschreibung.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung eignet sich zur Verwendung in Kraftwerken oder anderen wärmetechnischen Prozessen, obwohl im folgenden ein Ausführungsbeispiel zur Verwendung mit einer Gegendruckturbine beschrieben ist.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert, und zwar zeigt:

Fig. 1 einen lotrechten Schnitt durch eine erfindungsgemässe Vorrichtung.

Fig. 2 einen horizontalen Schnitt durch die Vorrichtung nach Fig. 1 in deren oberer Hälfte.

Fig. 3 eine Nebeneinanderstellung je eines Horizontalschnittes der oberen und der unteren Hälfte nach Fig. 1.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 bis 3 ist in einem Gehäuse 10 auf einer Grundplatte 11 ein feststehendes Mantelrohr 12 befestigt, welches einen Ringraum 13 zur Aufnahme von Kühlwasser besitzt. Dieses Kühlwasser wird von unten zugeführt und mündet in Verdampferschlangen 14, die nahe der Decke des Gehäuses 10 in einer Ebene angeordnet sind.

Im Innern des Mantelrohrs 12 ist ein feststehendes Innenrohr 15 angeordnet, dessen Innenraum 16 durch eine Trennwand 17 in zwei lotrechte achsparallele Kammern aufgeteilt ist. Die eine dieser Kammern ist mit einer Abdampfleitung 18 verbunden, während die andere mit einer zur Turbine führenden Heiss-dampfleitung 19 verbunden ist.

In den Boden des Innenraums 16 münden Kondensatleitungen 20.

Zwischen den Wandungen der Rohre 12 und 15 sind durch lotrecht und radial verlaufende Trennwände Kanäle 21 gebildet. Um das Mantelrohr 12 sind zwei Trommeln 22,23 drehbar übereinander angeordnet, wobei sich die untere Trommel 22 über ein Kugellager 24 auf der Grundplatte 11 abstützt,

während die obere Trommel 23 sich über ein Kugellager 25 an der Wandung des Mantelrohrs 12 abstützt.

In ihren aneinander angrenzenden Bereichen tragen die Trommeln Zahnkränze 26, in die ein Antriebsritzel 27 eingreift, welches über eine Welle 28 von einem nicht dargestellten äusseren Antriebsmotor angetrieben ist. Die Darstellung nach Fig. 1 lässt erkennen, dass bei angetriebener Welle 28 die beiden Trommeln in einander entgegengesetzten Drehrichtungen umlaufen. Die Kanäle 21 stehen über je eine Öffnung 30 bzw. 30a mit der Abdampfleitung 18 bzw. der Frischdampfleitung 19 in Verbindung.

Die Trommeln umfassen je einen inneren Ringraum, der durch lotrecht radial verlaufende Trennwände in Kammern 31 unterteilt ist. An diese Kammern 31 sind Rohrbündel 32 angeschlossen. Die Kammern sind gegenüber der Aussenwandung des Mantelrohres 12 abgedichtet, z. B. mittels beaufschlagter Lamellen, Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst jede Trommel sechzehn Kammern und sechzehn Rohrbündel.

Der Innenraum des Gehäuses 10 ist zwischen den beiden Trommeln durch eine horizontale Trennwand 33 in eine obere und eine untere Kammer unterteilt. Wie die Figuren 2 und 3 erkennen lassen, ist die obere und die untere Kammer des Gehäuses jeweils wieder in drei getrennte Räume unterteilt, durch die die Rohrbündel der Trommel nacheinander hindurchgeführt sind. Diese Unterteilung ist so gestaltet, dass durch einen ersten Bereich Qi und Q2 die heissen Kessel-Abgase strömen, so dass hier ein heisser Raum gebildet wird.

Die Anordnung in der oberen und unteren Kammer ist nun so getroffen, dass in Drehrichtung der jeweiligen Trommel an diesen heissen Raum ein neutraler Raum Q3 anschliesst, auf den ein gekühlter Raum Q4 folgt. Dieser gekühlte Raum wird mit Kaltluft über einen Luftkühler und einen Zuluftventilator gespeist.

Während die obere Hälfte der Fig. 3 diese Bereiche für die obere Trommel 23 zeigt, ist aus der unteren Hälfte die demgegenüber versetzte Anordnung der unteren Kammer des Gehäuses für die untere Trommel 22 dargestellt. Der als heisser Raum bezeichnete Bereich liegt innerhalb eines Kessels und umfasst bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel 180°, der neutrale Raum 135° und der Bereich des kalten Raumes 450 auf dem Umfang.

Aus den Figuren 2 und 3 ist ersichtlich, dass die beiden Trommeln über die Kanäle 21 verbunden sind, die ihrerseits Durchbrechungen aufweisen, die in die Kammern 31 der beiden Trommeln einmünden, an die ihrerseits die Zellen in Form der Rohrbündel 32 angeschlossen sind.

Die Anordnung ist so getroffen, dass die Zellen, die aus je einer Kammer und einem Rohrbündel bestehen, der beiden umlaufenden Trommeln (vergi. Fig. 3 und Tafel 2) beim Durchlaufen der Bereiche Qi, Q2 von der jeweils anderen Trommel Dampf erhalten, während sie beim Durchlaufen des Bereiches Q3 Dampf an die jeweils andere Trommel abgeben.

Auf diese Weise ist ein Wärmeübergang zwischen den beiden Trommeln ermöglicht. Dabei ist ersichtlich, dass nach dem Beladen einer Zelle mit Abdampf durch die entsprechende Kammer des Innenrohres 15 während ihres Durchlaufs durch die Bereiche Qi, Q2 der Dampfdruck in ihr erhöht wird.

Beim Weiterdrehen der Trommel wird am Ende dieser Bereiche eine Abgabestelle erreicht, an der sich die Zelle entlädt, bis sie am Ende des Bereiches Q4 eine entsprechende neue Dampfmenge aufnehmen kann, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel 0,24 Kg betragen mag; während des Durchlaufs durch den Bereich Q3 sind die Zellen entladen und übertragen ihren Druck an die über die Abführleitung 19 mit ihnen verbundenen Zellen der jeweils anderen Trommel.

Dieser Vorgang der Druckerhöhung und der Druckabsenkung ist in Fig. 3 durch die Verbindungspfeile zwischen den s

10

IS

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

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4

entsprechenden Räumen der oberen und der unteren Trommel angedeutet und im Verlauf aus Tafel 2 ersichtlich.

Beim Durchlaufen des Bereiches Q4 sinkt der Druck in den Zellen infolge der Kühlung ab, im vorliegenden Ausführungsbeispiel auf etwa 3 at, so dass die Zelle beim Eintritt in den Bereich Qi wieder mit Abdampf beladen werden kann. Hier sei erwähnt, dass das Diagramm nach Tafel 2 im Zusammenhang mit der Tabelle der Tafel 1 zu lesen ist.

Die nachfolgende Tabelle der Tafel 1 enthält Zahlenwerte, die rechnerisch ermittelt wurden und die der graphischen Darstellung nach Tafel 2 entsprechen.

Im Ausführungsbeispiel sind folgende Werte zugrundegelegt:

tung umfasst 16 Zellen pro Trommel und läuft mit n = 60 U/min. um. Das Volumen einer Zelle ist so zu wählen, dass an der Abgabestelle nach Abgabe von 0,24 kg Dampf ein Rest von 2,19 kg bei diesem Beispiel in der Zelle verbleibt, s Nach Tafel 1 ergibt sich in Q3 folgende Bilanz:

— 0,390 kg Dampf = Rest in Zelle

— 0,240 kg Ab dampf = von Turbine

—1,800 kg Trans fer-Dampf io Gesamt = 2,430 kg/Zelle an der Abgabestelle.

Das Zellenvolumen errechnet sich zu:

Überhitzer < Dampf

Turbine mit 4400 PS —Dampfverbrauch = 8,63 kg/sek —Dampfdruck = 33 at—Spez. Vol. = 0,09 m3/kg

-Spez. Gew. = 11,0 kg/m3 —Dampftemp. = 400°C -Enthalpie = 770 kcal/kg

15 V =

G

J

2,43 11

= 0,24 m3

20

Nach der Zustandsgieichung haben wir an der Abgabestelle:

PV = GRT PV = 10 330 X 36,5 X 0,24 = 90,500 kgmgrd GRT = 2,43X477X793 = 90,500 kgmgrd

Abdampf x

-Dampfmenge/sek — 7,77 kg Der Dampfverbrauch/sek = 0,240 kg— gewärmte Abdampf

-Dampfdruck = 5 at-Spez. Vol. = 0,38 m3/kg + 0,030 kg- frischer Dampf

-Spez. Gew. = 0,262kg/m3

-Dampftemperatur= 170°C 25 Gesamt = 0,270 kgX 32 (Zellen) = 8,64 kg/sek

-Enthalpie = 673 kcal/kg

Wählt man für die Rohrbündel Rohre aus austenitischem Die Zellen 22,23 werden mit Abdampf gespeist und der Stahl mit einem Querschnitt von 1.320 mm2, so ergibt sich die

Druck steigt von 5 at bei 0° Drehwinkel auf 36,5 at bei 180° 30 Rohrlänge für eine Zelle zu 180 m und die Oberfläche pro Zelle Drehwinkel. Der Gegendruck an der Abgabestelle beträgt 33 at. zu 28,3 m2.

Es tritt eine Enthalpie-Erhöhung von 770-673 = 97 kcal/kg Wenn die Höhe eines Rohrbündels zu 1 m angenommen wird,

auf. Der Dampfverlust der Turbine betrage 10%. Die Vorrich- so ergibt sich der Trommeldurchmesser: D = 2,7 m

Tafel Nr. 1

Druck, Temperatur und Dampfmenge-Vorgang für Zellenvolumen V = 0,24 mc

Trommel 1

Trommel 2

Durchschnitt Tr. 1 u. 2

Zelle pat t°C

T°K

G

GRT

Zelle pat t°C

T°K

G

GRT

Zelle pat t°C

T°K

G

GRT

1

4

268

541

0,39

9 900

16

3

135

408

0,39

7 400

1-16

—

keine Verbindung

—

2

3

135

408

0,39

7 400

15

4

268

541

0,39

9 900

2-15

-

keine Verbindung

—

3

5

170

443

0,63

12 400

14

5

400

673

0,39

12400

3-14

5

keine Verbindung

12400

4

8,5

220

493

0,90

21000

13

11,5

420

693

0,66

21 600

4-13

10

320

593

0,78

21 300

5

13,5

270

543

1,296

33 300

12

16,5

440

713

1,056

35 300

5-12

15

355

628

1,176

34 300

6

18,5

320

593

1,675

46 000

11

21,5

460

733

1,436

49 400

6-11

20

390

663

1,556

47 700

7

23,5

370

643

1,936

58 000

10

27

480

753

1,696

60 000

7-10

25,2

425

698

1,816

59 000

8

28,5

420

693

2,240

71 000

9

32,5

500

773

2,000

80 500

8- 9

30,5

460

733

2,120

80 500

9

33,5

470

743

2,430

83 200

8

36,5

520

793

2,430

90 500

9- 8

36,5

520

793

2,430

90 500

10

36,5

520

793

2,460

90 500

7

33,5

470

743

2,430

83 200

10- 7

36,5

520

793

2,430

90 500

11

32,5

500

773

2,000

80 500

6

28,5

420

693

2,240

71 000

11- 6

30,5

460

733

2,120

80 500

12

27

480

753

.1,695

60 000

5

23,5

370

643

1,936

58 000

12- 5

25,2

425

698

1,815

59 000

13

21,5

460

733

1,436

49 400

4

18,5

320

593

1,676

46 000

13- 4

20

390

663

1,556

47 700

14

16,5

440

713

1,056

35 300

3

13,5

270

543

1,296

33 300

14- 3

15

355

628

1,178

34 300

15

11,5

420

693

0,66

21 600

2

8,5

220

493

0,90

21 000

15- 2

10

320

593

0,78

21 300

16

5

400

673

0,39

12400

1

5

170

443

0,63

12400

16- 1

5

keine Verbindung

12 400

03

0,660 11,5

1,056 16,5

1,696 ~

1,436 21,5

0,390 0,390

0,390 5

5 at

10 at

15 at

20 at

4

0,390

0,390

Drehrichtung Tr. 1

U)

2

sr

N

n

>3

"O

268° 541°

135° 408°

0,630

.. it

170° 443°

8,5 0,900

220 e 493 e

13,5 1,296

270° 543 e

18,5 1,676

320° 593°

643°

3

e a

OQ

n>

2,460-0,270 = 2,190 kg

2,00

32,5

30,5 at

36,5

u a o

4-*

M

O

■8

60 X>

2,430

33,5

Trommel 2

2,240

Drehrichtung Tr. 2

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1,676

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U

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C/3

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•a oo fO <

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21,5

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27

1,695

32,5

36,5

2,00

2,460-0,270= 2,190 kg

520°

500°

480°

460°

440°

420°

0,390

400°

693° 743° 793° 773° Temperaturvorgang in Trommel 1

753°

733 e

713°

693°

673°

Claims (7)

1. 620498

   2

   PATENTANSPRÜCHE

   1. Verfahren zur Erzeugung von Hochdruckdampf, bei dem den in einem Kessel vorgesehenen Zellen Abdampf als Niederdruckdampf zugeführt wird, in welchen Zellen der Druck und die Temperatur des Abdampfes erhöht und der so gewonnene s Frischdampf als Hochdruckdampf einem Verbraucher zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen in zwei Trommeln verteilt sind, die nacheinander zyklisch durch heis-sere und kühlere Bereiche des Kessels geführt werden, dass dabei in jeder Zelle der ersten Trommel, nach der Aufnahme von io Abdampf, der Druck des Dampfes im heissen Bereich (Qi, Q2) stufenweise erhöht wird, teils infolge des Temperaturanstieges bei konstanten Volumen-isochor-und teils infolge der Dampfaufnahme bei verschiedenen Stufen von den Zellen der zweiten Trommel, die sich im neutralen Bereich befinden, dass « dann Hochdruckdampf an den Verbraucher abgegeben wird und anschliessend im neutralen Bereich (Q3) die Zellen sich stufenweise in die Zellen der anderen Trommel entladen, die sich im heissen Bereich befinden, und dann in einem gekühlten Bereich (Q4) der Dampfdruck der Zellen erniedrigt wird, um eine 20 neue Ladung mit Abdampf zu ermöglichen.
2. 2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (31,32) um ein mittleres, feststehendes Mantelrohr (12) herum umlaufend angeordnet sind, welches die Abdampfleitung (16,18) und die 2s Abfuhrleitung (16,17) enthält und welches mit den Zellen nacheinander in Verbindung tretende Öffnungen (30,30a)

   sowie die Zellen mechanisch verschliessende Wandungsbereiche aufweist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, 30 dass sie paarweise vorgesehene Trommeln (22,23) aufweist,

   die in jeweils entgegengesetzter Drehrichtung angetrieben sind und deren Zellen (31,32) einseitig offen sind und über einen Teil des Umfangs, auf dem sie angeordnet sind, mit Öffnungen (30) der Abdampfleitung (18) in Verbindung stehen und 35 über einen anderen Teil des Umfangs mit der Abfuhrleitung (19) in Verbindung stehen, dass einander entsprechende Zellen eines Paares von Trommeln mittels Kanälen (21) miteinander verbunden sind, die auf einem Teil des bei der Drehbewegung durchlaufenen Umfangs angeordnet sind und dass die 40

   Trommeln auf einen Bereich (Qi, Q2) des Umfangs in einen Kesselraum und auf einem anderen Bereich (Q4) des Umfangs in einen gekühlten Raum hineinragen, wobei die in den Kesselraum ragenden Bereiche eines Paares von Trommeln gegeneinander versetzt angeordnet sind, und wobei, in Drehrichtung 45 jeder Trommel gesehen, zwischen dem heissen Bereich (Qi, Q2) und dem gekühlten Bereich (Q4) ein neutraler Bereich (Q3) vorgesehen ist.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Innenrohr (15) von dem Mantelrohr (12) umgeben ist, welches über radiale Stege mit dem Innenrohr verbunden ist, zwischen denen die Kanäle (21) gebildet sind, und dass das Mantelrohr (12) auf seinen Umfang für jede der Zellen (31,32) beider Trommeln (22,23) eine Durchbrechung (30a) aufweist.
5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (31,32) Rohrbündel (32) aufweisen, die an Kammern (31) angeschlossen sind, die ihrerseits zu dem Mantelrohr (12) hin offen sind und deren Wan- 60 düngen mittels Dichtungen gegen das Mantelrohr hin abgedichtet sind.
6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der gekühlte Bereich (Q4) von durchgeleiteter Kaltluft gekühlt ist und dass die erwärmte Abluft über 65 einen Verdichter dem Brenner des Kessels zugeführt wird.
7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Mantelrohr (12) einen von Kühlwasser durchströmten Ringraum (13) aufweist, der austrittsseitig mit einem Verdampfer (14) in Verbindung steht.

   so

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