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Verfahren zur Carnotisierung von Dampfkreisprozessen Unter Carnotisierung
des Dampfkreisprozesses versteht man bekanntlich die Angleichung an den Carnotprozeß
mit dem Wirkungsgrad
wobei Q1 die zugeführte, Q2 die abgeführte Wärme und T1 die höchste, T2 die tiefste
Temperatur des Prozesses ist.
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Beim Dampfkreisprozeß ist die tiefste Temperatur T2 von der Temperatur
des Kühlwassers für den Kondensator abhängig. Dagegen hängt die Temperatur T1 im
Sinne einer Carnotisierung von verschiedenen Umständen ab. Wird die Wärme nicht
wie beim Carnotprozeß nur bei einer Höchsttemperatur T1 zugeführt, sondern, wie
üblich, innerhalb eines Temperaturbereiches (Verdampfung, Überhitzung und zudem
Speisewasservorwärmung), so gilt eine mittlere Wärmezufuhrtemperatur T. G T1. Für
den Wirkungs-,-rad zilt nun
Das Verhältnis kann als Grad der Carnotisierung bezeichnet
werden. Bei vollständiger Carnotisierung wird T. = T1, so daß die Zwischenbeziehung
Damit beim Carnotprozeß das Arbeitsmedium einen Kreislauf durchführen kann, muß
es demnach zwischen Wärmezufuhr und -abfuhr von T1 auf T2 bzw. von T., auf T1 gebracht
werden. Wenn ein Prozeß dem Carnotprozeß an Wirkungsgrad gleichkommen, wenn er also
carnotisiert angesprochen werden soll, so müssen diese beiden Temperaturänderungen
des Mediums ohne jede Einwirkung von außen durch inneren Energieumlauf gedeckt werden.
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Dieser innere Umlauf geschieht im eigentlichen Carnotprozeß durch
mechanische Übertragung, indem sich bei isentroper Expansion innere Energie in Arbeit
verwandelt, die auf mechanischem Wege zur Krompression des Arbeitsmittels dient,
wobei sie sich wieder in innere Energie umwandelt.
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Beim Ericson-Prozeß findet dieser innere Umlauf in Form von Wärme
statt, die in einem vollkommenen Gegenstrom-Wärmeübertrager ohne jedes mechanische
Hilfsmittel umgesetzt wird. Dieser Prozeß hat denselben Wirkungsgrad wie der Carnotprozeß.
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Es ist also der zur Durchführung einer vollen Carnotisierung notwendige
innere Umlauf von Energie sowohl auf mechanischem Wege als durch Wärmeübertragung
möglich. Man kann selbstverständlich eine volle Carnotisierung auch dadurch erreichen,
daß der innere Umlauf teils als mechanische Energie, teils in Form von Wärme stattfindet.
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Wird nun ein Teil dieses inneren Umlaufes in sich gedeckt, ein Teil
an Wärme aber von außen zugeführt, so hat man es mit einem Carnotisierungsgrad kleiner
als 1 zu tun, und die mittlere Temperatur 7m bezeichnet die obere Temperatur des
Carnotprozesses, der denselben Wirkungsgrad hat wie der teilweise earnotisierte
Prozeß.
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Bei den Betrachtungen über eine Carnotisierung des Dampfkreisprozesses
ist von den einzelnen Phasen der Wärmezufuhr, wie Vorwärmung, Verdampfung und Überhitzung,
auszugehen. Hieraus geht hervor, daß die Carnotisierung, bezogen auf den ganzen
Prozeß, unvollkommen und vollkommen sein kann, je nachdem wie viele Phasen des Prozesses
in die Carnotisierung ganz oder auch teilweise einbezogen werden. Der Grad der Carnotisierung
ist hiervon abhängig.
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Ein bekanntes Verfahren zu einer begrenzten Carnotisierung der Vorwärmung
ist die Regenerativ-Speisewasservorwärmung. Hier wird teilweise expandierter Dampf
verschiedenen Druckstufen der Turbine entnommen und den Vorwärmestufen zugeführt.
Kreisprozesse mit Carnotisierung der Verdampfung unterscheiden sich von den beschriebenen
dadurch, daß nicht die ganze Menge des Arbeitsmediums seinen Aggregatzustand zwischen
flüssig und gasförmig ändert, sondern stets nur ein Teil. Der andere Teil bleibt
immer dampf- bzw. gasförmig. Es ist aus diesem Grunde auch keine Lösung der Aufgabe
möglich ohne die Anwendung eines Verdichters.
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So ist es bekannt, mit Anzapfdampf, der wieder verdichtet wird, Vorwärmung
und Verdampfung vorzunehmen. In allen diesen bekannten Verfahren wird der erzeugte
Dampf vor oder/und direkt hinter dem Verdichter dem Prozeß zugeführt.
Bei
diesen Verfahren fällt jedoch die höchste Temperatur mit dem höchsten Druck zusammen,
wodurch mit Rücksicht auf die Materialien die obere Temperaturgrenze, die auch für
den Wirkungsgrad von Einfluß ist, niedrig angesetzt werden muß.
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Demgegenüber wird nach der Erfindung ein Verfahren zur Carnotisierung
der Vorwärmung, der Verdampfung und eines Teiles der Überhitzung in Dampfkreisprozessen
unter Verwendung eines Nebenkreislaufes mit Verdichtung, der dem Hauptkreislauf
überlagert ist und dessen Abwärme zur Vorwärmung und Verdampung des Kondensates
herangezogen wird, vorgeschlagen, bei dem der höchste Druck des Nebenkreislaufes
niedriger als der höchste Druck des Hauptkreislaufes und der niedrigste Druck des
Nebenkreislaufes höher als der niedrigste Druck des Hauptkreislaufes liegen und
die Abwärme des Nebenkreislaufes das Kondensat zusätzlich bei Höchstdruck des Hauptkreislaufes
vorwärmt, verdampft und überhitzt.
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Das Ts-Diagramm der Fig. 1 zeigt den zu carnotisierenden Kreisprozeß
(I) a d e g h i l m n. Wenn die Vorwärrnung von a bis o' durch eine Regenerativvorwärmung
carnotisiert wird, so geht der Prozeß über in ä o' d e g h i l m n. Ohne
eine letzte Zwischenüberhitzung wird der Prozeß dargestellt durch d o'
d e g l1 i n'. Diesem Kreisprozeß ist ein zweiter Kreisprozeß (II)
überlagert mit dem Verlauf o p i k. Dieser Prozeß verläuft nur im Überhitzungsgebiet,
also ohne Änderung des Aggregatzustandes des Arbeitsmediums. Entlang den Strecken
h-i und i-k sind die Zustandsgrößen und Zustandsänderungen dieselben wie beim zu
carnotisierenden Prozeß. Auf diesen Strecken können beide Prozesse mithin zusammengeleitet
werden. Die Abwärme des Kreisprozesses (II) wird dazu benutzt, im Kreisprozeß (I)
die Vorwärmung von o' bis d, dieVerdampfung beim Druckpl von d bis
e und die Überhitzung von e bis f durchzuführen. Hierzu muß sich die
Dampfmenge Gll im Kreisprozeß (II) zur Dampfmenge GI im Kreisprozeß (I) verhalten
wie:
Bei entsprechend geändertem Entropiemaßstab, jedoch bei gleichem Temperaturmaßstab,
geht der Prozeß (1I) o p i k über in den Kreisprozeß o' p' i' k'
der
Fig. 1. Zeichnerisch entspricht die Anordnung der vorgesehenen Wärmeübertragung.
Entlang o' d wird die Wärme zur Vorwärmung bis zur Verdampfungstemperatur bei dem
Druck p1 übertragen. Dieses geschieht im Gegenstrom. Die Übertragung der Wärme
3 d k'4 von Prozeß (II) auf den Prozeß (I) erfolgt mit einer Entropiezunahme
A s, da die Verdampfungs-und Überhitzungswärme 3 d e f 5
gleich der Wärmemenge 3 d k'4 ist. Von f bis g und von l bis
m wird Überhitzungswärme in je einem besonderen Überhitzer zugeführt, während
die Überhitzungen von p' bis i' und h bis i gemeinsam in einem Überhitzer
erfolgen, cla die Dampfdrücke gleich sind und diese beiden Abschnitte der Prozesse
(1I) und (I) zusammengeführt werden.
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Der Kreisprozeß (I) vollzieht sich zwischen den Drücken p1 und po,
bei dem die Kondensation geschieht. Der Kreisprozeß (II) arbeitet mit den Drücken
p, und p3. Expansion i' bis k' und Verdichtung o' bis p' haben Druckverhältnis
p21p3.
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Während Fig. 1 im Ts-Diagramm gemäß der Erfindung eine Carnotisierung
für das unterkritische Druckgebiet zeigt, ist in der Fig.2 dasselbe Verfahren dargestellt
für Dampfdrücke, die beliebig hoch über dem kritischen Druck liegen können. Analog
ist hier der Prozeß (I) ä m d e f g i k L und der Prozeß (II)
m n. g h, der entsprechend dem umlaufenden Dampfmengenverhältnis übergeht
in m' n'
g' h', bei in demselben
Verhältnis geändertem Entropiemaßstab. Von Kreisprozeß (II) wird von h' bis
m' die Wärmemenge 2 n' 1i 4 möglichst im Gegenstrom an den Kreisprozeß
(I) abgegeben. Hier erscheint sie als Wärmemenge 2 m d 5, wobei eine EntropiezunahmeAs
auftritt. Diese ist geringer als bei dem Beispiel der Fig. 1. Demgemäß wird also
die Erhöhung des Druckes p1 die Wärmeübertragung vom Prozeß (II) zum Prozeß (I)
günstiger. Die Wärmezufuhr erfolgt über n' bis g', d bis e, f bis
g und i
bis k, wobei auch hier n' - g' und f - g gemeinsam
geführt werden, da die Drücke gleich sind. Die Wärmeabfuhr geschieht entlang der
Kondensationsstrecke L bis a'. Wie im Beispiel nach Fig. 1 sind auch hier
die Druckgrenzen für den Prozeß (I) p1 und p., während der Prozeß (II) zwischen
den Drücken p2 und p3 arbeitet. Mithin haben Expansion g' bis 1% und Verdichtung
m' bis n' das Druckverhältnis p2/p3.
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Wird die letzte Zwischenüberhitzung vermieden, so verläuft in Fig.
1 der letzte Abschnitt des Prozesses von i nach n' (Expansion) und
von n' nach a' (Kondensation). Entsprechend ist dieser Abschnitt in Fig. 2 g-l'
(Expansion )und l'-a' (Kondensation).
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Ergänzend zu den Fig. 1 und 2 zeigt die Fig. 3 als Beispiel ein Schaltschema
einer möglichst einfach gebauten Anlage, die nach dem neuen Verfahren arbeitet.
Der Prozeß (I) hat den Verlauf: Kondensator, Speisepumpe, achtstufige Regenerativvorwärmung,
Gegenstromvorwärmer, Verdampfer, Gegenstromüberhitzer, Rauchgasüberhitzer, Turbine
TA, Rauchgasüberhitzer, TurbineT, TurbineTN; eventuell über eine weitere gestrichelt
angedeutete Zwischenüberhitzung im TN-Abschnitt. Der Prozeß (II) läuft: Verdichter
K, Rauchgaserhitzer, Turbine T, Gegenstromüberhitzer [für Prozeß (I) ], Verdampfer
[für Prozeß (I) ], Gegenstromvorwärmer [für Prozeß (I) ].
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Die Regenerativvorwärmung erfolgt über Anzapfungen an TN und über
eine Vorwärmturbine TV,
die vom T-K-Kreislauf vor dem Verdichter K ihren Dampf
abzweigt. Bei entsprechend größeren Expansionen in TV können auch die Anzapfungen
an TN vermieden werden.
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Im vorliegenden Fall wird ein so hoher Druck p1 erzeugt und eine Überhitzung
vorgenommen, daß durch die Expansion in der Turbine TA auf den Druck p2 (s.
Fig. 1 und 2) eine Leistung erzeugt wird, die den Leistungsbedarf des Verdichters
K annähernd oder ganz deckt. Desgleichen ist es bekannt, in verschiedenster Art
Vorwärmturbinen anzuwenden, die ihren Dampf aus einer Anzapfung an der Hauptturbine
beziehen. Diese Vorwärmturbinen treiben einen separaten Generator oder Hilfsmaschinen
an. Im vorliegenden Fall jedoch ist die Vorwärmturbine mit dem neuen Verfahren derart
kombiniert, daß sie ihre Leistung an den Verdichter abgibt und die ihr zugeführte
Dampfmenge gleichzeitig mit dem Umlaufdampf des T-K-Kreises vorher Wärme zur weiteren
Vorwärmung, Verdampfung und Überhitzung ohne Entropiezunahme infolge des Fehlens
von überhitzungswärme mittels Sattdampf abgibt. Es sind also infolge dieser Kombination
keine sonst üblichen Einrichtungen. wie Erhitzer usw., erforderlich.
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In dem Schaltschema der Fig.3 sind durch entsprechende Wahl der Drücke
und Temperaturen die
Leistungen von TA und TV zusammen gleich
dem Leistungsbedarf des Verdichters K. Man kann auch, falls besondere Voraussetzungen
in der Auslegung eine geringere Leistung von TA und TV bedingen. die Zusatzleistung
zum Antrieb von K erzeugen mittels einer besonderen Turbine, die parallel zu T bzw.
in Reihe zu dieser liegt. Die im Schema gezeigte Anordnung ist jedoch die einfachere
und deshalb stets anzustrebende. Andererseits kann bei höherer Leistung von TA - -
TV als K die Überschußleistung auf besondere Turbinenstufen vor T abgegeben werden,
indem TA ein entsprechend geringeres Wärmegefälle zugeteilt wird. In jedem Falle
ist dieses Maschinenaggregat TA K TV an sich ungeregelt, da es sich stets
auf ein Leistungsgleichgewicht automatisch einstellt. Zudem ist es ganz drehzahlunabhängig,
so daß höchste Drehzahlen angewandt werden können, die konstruktiv einen hohen Maschinenwirkungsgrad
ermöglichen und selbst bei dem am Eintritt von TA auftretenden höchsten Druck p1
des Verfahrens eine volle Beaufschlagung im Gegensatz zu allen bekannten Verfahren,
die bei Höchstdruck gewöhnlich Regelstufen haben, zulassen. Die Hauptturbine
T -f- TN gibt allein die Nutzleistung ab. Diese Hauptturbine hat auch im
Gegensatz zu den bekannten Verfahren einen wesentlich unter dein Höchstwert p1 liegenden
Eintrittsdruck p2. Mit Rücksicht auf die Materialien kann deshalb hier auch die
höchste Temperatur des Prozesses zur Anwendung kommen. Sehr günstig ist ferner,
daß die Turbine T mit einer gegenüber bekannten Verfahren großen Dampfmenge beaufschlagt
wird, so daß hinsichtlich des Wirkungsgrades sehr gute konstruktive Voraussetzungen
bestehen.
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Infolge der Carnotisierung des Dampfkreislaufes gemäß der Erfindung
erfolgt die Wärmezufuhr bei einer Temperatur, deren Mittel relativ hoch liegt. Dieses
bedingt eine zusätzliche Ausnutzung der restlichen Rauchgaswärme zur Vorwärmung
der Verbrennungsluft, zumal Economiser nicht vorhanden sind. Es ist bekannt, anstatt
des üblichen Luftvorwärmers eine Luftturbine zu benutzen, die einen zweckmäßigerweise
gekühlten Verdichter antreibt und die Überschußleistung über einen Generator an
die Sammelschienen abgibt. Die verdichtete Luft entnimmt Tiber einen Wärmetauscher
den Rauchgasen einen möglichst großen Teil der Restwärme. Die Abluft der Turbine
wird in die Feuerung geleitet, wodurch eine gute Wärmeausnutzung erreicht wird.
Im Gegensatz zu diesem bekannten Verfahren sieht die Weiterbildung der vorliegenden
Erfindung eine Kombination mit der Luftturbine derart vor, daß gemäß Fig. 4 und
5 die Nutzleistung der Luftturbine dazu benutzt wird, in dein Dampfprozeß zusätzlich
Verdichterarbeit zu leisten. Um die Maschinen in der Drehzahl unabhängig voneinander
zu machen, sind sie - wie in den Fig. 4 und 5 beispielsweise gezeigt -zu unterteilen.
KL ist der Luftverdichter, der von der Luftturbine TL, angetrieben wird. Die Luftturbine
TL2 gibt die Nutzleistung entweder direkt an das Aggregat TA K TV ab, oder
sie treibt einen separaten Verdichter, der zum Hauptdampfverdichter in Reihe liegt.
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Bei diesem Verfahren sind gegenüber den bekannten keine Regeleinrichtungen
erforderlich. Ein besonderer Generator mit Schalteinrichtungen usw. erübrigt sich
ebenfalls, da die Hauptturbine infolge Erhöhung des Druckverhältnisses im T-K-Kreis
die Leistung der Luftturbine übernimmt und an den Hauptgenerator abgibt. Diese ganze
Übertragung von der Luftturbine bis zum Hauptgenerator geschieht mit einem besonders
günstigen Effekt, da durch die Erhöhung des Dampfdruckes p. vor dem Überhitzer im
T-K-Kreis ein zusätzliches Arbeitsvermögen erzielt wird.
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Eine Anlage nach dem neuen Verfahren, beispielsweise nach Fig. 3,
ist aus bekannten Elementen aufgebaut. Die Betriebssicherheit steht also nicht hinter
der einer Anlage nach dem normalen Clausius-Rankine-Prozeß zurück. Um nun trotzdem
darüber hinaus in der Anlage selbst eine Reserve zu bieten, wird im Rahmen der Erfindung
nachstehende »Reserve-Schaltung« angegeben.
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Der Anlage nach Fig. 5 wird lediglich eine Verdampfungstrommel nebst
Dampfumlaufpumpe nach an sich bekannter Funktion hinzugefügt und die TN-Turbine
mit einer Curtis-Regelstufe TH versehen. Schaltschema Fig. 6 zeigt diese
Anlage.
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Wird die Anlage nach dem neuen Verfahren betrieben, so gilt Schaltschema
Fig.7. Entsprechende Absperr- bzw. Umschaltorgane sind vorzusehen. Die Verdampfungstrommel
und die Curtis-Regelstufe TH
sind nicht in Betrieb. Die letztgenannte läuft
leer mit.
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Soll die Anlage bei etwaigen Störungen nach dem Normalprozeß laufen,
so gilt das Schaltschema Fig.8. Diese Maßnahme ist ohne weiteres möglich, weil die
Anlageteile gerade die richtigen Dimensionen haben, auf diesen Reservebetrieb mit
einer an sich bekannten Verdampfungsart umschalten zu können.
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Ob nun die Überhitzer, wie die Figuren zeigen, in Serie oder parallel
geschaltet werden, ist an sich belanglos. Das richtet sich nach der Auslegung der
Überhitzer, den gewünschten Temperaturen usw. In Schaltung Fig. 8 sind die durch
Pfeile angedeuteten zusätzlichen Anzapfungen (eventuell mit Enthitzer) zur Vorwärmung
anzuwenden. Statt des Enthitzers kann auch eine Rohrschlange im Verdampfer angeordnet
werden, die die Überhitzungswärme direkt an das Wasser abgibt, bevor der Dampf in
den Vorwärmer eintritt.
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Alle Einrichtungen, die das neue Verfahren bedingt, sind damit ausgeschaltet.
Eine Überholung dieser Elemente ist also im gegebenen Fall möglich, ohne die Hauptturbine
außer Betrieb zu setzen.
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In den Schaltschemen Fig.7 und 8 sind zwecks übersichtlicher Darstellung
möglichst nur die Elemente angegeben, die zur Durchführung des jeweils gewünschten
Kreislaufes erforderlich sind.
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Es sei noch herausgestellt, daß die Verdampfungstrommel auch bei dem
neuen Verfahren in geeigneter Weise eingesetzt werden kann zu Regelungszwecken,
zum Ausgleich von Belastungsschwankungen und zum Anfahren der Anlage.
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Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann auch in einer Vorschaltanlage
verwirklicht werden, um in Verbindung mit vorhandenen Maschinen eine Anlage größerer
Leistung und mit wesentlich höherem Wirkungsgrad zu schaffen. In der Fig. 9 ist
ein Schaltschema gezeigt. Die freie Leitung am Austritt der Turbine T führt zur
Nachschaltanlage, während das Kondensat von dort in die Vorwärmung der Turbine
TV geleitet wird. Auch bei der Vorschaltanlage gemäß Fig. 9 lassen sich die
Luftturbine nach Fig.4 und 5 und die Reserveschaltung nach Fig.6 bis 8 anwenden.
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Die Carnotisierung des Dampfkreisprozesses gemäß der Erfindung erhöht
den Wirkungsgrad gegenüber dem Normalprozeß nach Clausius-Rankine. Das neue Verfahren
bietet zudem Betriebsvoraussetzungen (größere Dampfmengen, unabhängige Drehzahlen
usw.), die wesentlich höhere Maschinenwirkungsgrade erreichen lassen als der Normalprozeß.
Bei dem relativ niedrigen Eintrittsdruck an der Hauptturbine
lassen
sich hohe Temperaturen leichter beherrschen und ihre Vorteile besser ausnutzen als
beim Normalprozeß und anderen, in denen die Höchsttemperatur mit dem Höchstdruck
zusammenfällt. Durch die Carnotisierung ist bei dem neuen Verfahren gegenüber dem
Normalprozeß jede Temperatursteigerung von dem gleichen günstigen Einfluß auf den
Wirkungsgrad, wie ihn z. B. die Gasturbine aufweist. Dagegen ist der Maschinenaufwand
wesentlich geringer als bei der Gasturbine. Das ganze TA-K-Tv-Aggregat (s. Fig.
3 ff.) macht leistungsmäßig einen nur kleinen Anteil der Nutzleistung aus. Die Kosten
werden entsprechend mäßig sein.
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Bei gleicher Nutzleistung bedingt das neue Verfahren einen kleineren
Aufwand für die Anlage der Wärmezufuhr und für die Kondensationsanlage. Die Turbine
TN läßt sich infolge der wenigen Anzapfungen, die sogar ganz vermieden werden können,
strömungsgünstiger und einfacher ausführen. In den letzten Stufen verzichtet man
jedoch wegen der Wasserableitung nicht gern auf die Anzapfungen. Verglichen mit
dem Normalprozeß, steht dem Mehraufwand an Maschinen und Heizflächen auch eine Reihe
von Vereinfachungen und Einsparungen gegenüber.
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Die Regelung der Anlage erfolgt am günstigsten durch Druckänderung,
insbesondere um den Wirkungsgrad des T-K-Kreises [Kreisprozeß (II) ] konstant zu
halten, indem bei der Dampfmengenänderung aus bekannten Gründen das Druckverhältnis
p2/p. möglichst nicht geändert wird. Diese Regelung kann mit bekannten Mitteln durchgeführt
werden. Von Bedeutung ist, daß nach Einstellung auf eine bestimmte Belastung alle
Kreise der Anlage mit vollen Querschnitten, also ohne Drosselung, arbeiten. Die
Wirkungsgradänderung in Abhängigkeit von der Belastung hat dementsprechend einen
sehr flachen Verlauf.
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Es sei noch besonders darauf verwiesen, daß das neue Verfahren sich
universell für alle Leistungen, Drücke und Temperaturen eignet. Also auch kleine
Anlagen lassen sich mit relativ hohem Nutzeffekt ausführen, was man bisher nur den
Gasturbinen vorbehalten glaubte.