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Verfahren zur Carnotisierung der Vorwärmung von Dampfkreisprozessen
mit mehrfacher Anzapfspeisewasservorwärmung 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 Vonvärmung
ist die Regenerativ-Speisewasservorwärmung. Hier wird teilweise expandierter Dampf
verschiedenen Druckstufen der Turbine entnommen und den Vorwärmstufen zugeführt.
Das in diesen anfallende Kondensat wird jeweils über Druckventile zur nächstniederen
Stufe geleitet, wobei ein Bruchstück davon verdampft und damit den Bedarf dieser
Stufe an Anzapfdampf vermindert.
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Abb. 1 zeigt ein Schaltschema dieser Vorwärmung. Vom Dampferzeuger
1 über überhitzer 2 strömt der Dampf durch Turbine 3 und 5 zum Kondensator 6. Die
Speisepumpe 7 drückt das Kondensat durch die Vorwärmstufen 8 (in diesem Fall fünfstufig)
zum Kessel 1. Der Wärmeübertrager 4 ist Teil der Erfindung und wird späterhin näher
beschrieben.
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Bei der üblichen Regenerativ-Vorwärmung durch Turbinenanzapfungen
wird nur im Sattdampfgebiet eine Carnotisierung erreicht. Je höher die Überhitzung
und Zwischenüberhitzung ist, um so mehr liegen die Anzapfungen im Überhitzungsgebiet:
Hierbei muß der Anzapfdampf in den Vorwärmstufen neben der Verdampfungs- und Flüssigkeitswärme
auch Überhitzungswärme an das Speisewasser abgeben. Die Abgabe der letzteren ist
stets mit Entropiezunahme verbunden infolge des unvermeidlichen Temperaturgefälles.
Diese Verschlechterung der Regenerativ-Vorwärmung wird um so größer, je weiter die
Anzapfungen im Überhitzungsgebiet liegen und je niedriger bei gleicher Anzapftemperatur
der Anzapfdruck ist. Die erreichbare Vorwärmendtemperatur ist begrenzt und liegt
stets weit unter der Verdampfungstemperatur.
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Wenn auch Überhitzung und Regenerativ-Vorwärinung jede für sich einen
Gewinn ergeben, so tritt bei gleichzeitiger Anwendung beider in einen Kreisprozeß
kein reiner Summeneffekt ein. Eine Überhitzung verschlechtert die Wirkung der Regenerativ-Vonvärmung
um so mehr, je weiter sie getrieben wird. Wenn trotzdem eine geringe Wirkungsgradsteigerung
zu verzeichnen ist, so liegt das daran, daß die Differenz zwischen Wirkungsgraderhöhung
bei steigender überhitzung und entsprechender Wirkungsgradverminderung der Vorwärmung
immerhin einen positiven Wert hat, der auch mit der Überhitzung ansteigt. Anzustreben
ist die Carnotisierung gegebenenfalls bis zur Verdampfungstemperatur und zusätzlich
weitgehender Anwendung der Überhitzung. Dieses läßt sich nur erreichen, wenn die
Abhängigkeit zwischen Regenerativ-Vorwärmung und Überhitzung aufgehoben wird. In
diesem Fall ist dann tatsächlich ein Summeneffekt beider bezüglich der Wirkungsgradsteigerung
zu verzeichnen.
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Um zu erreichen, daß einmal keine oder sehr wenig Anzapfungen in der
Turbine erforderlich sind und andererseits die Vorwärmung mit geringster Entropiezunahme
erfolgt, kommt nach der Erfindung ein Verfahren zur Carnotisierung der Vorwärmung
von Dampfkreisprozessen mit mehrfacher Anzapfspeisewasservorwärmung zur Anwendung,
nach dem mehrere oder alle Vorwärmstufen aus einer einzigen Anzapfung des Hauptturbosatzes
mit Vorwärmdampf versorgt werden, indem dieser Dampf nach Abgabe der Überhitzungswärme
an bereits angewärmtes Kondensat mittels eines als Verteilungsmaschine wirkenden
und leistungsmäßig in sich ausgeglichenen Turboverdichters über Anzapfungen am Verdichter
und an der Turbine auf die einzelnen Vorwärmstufen verteilt wird, derart, daß in
den Wärmeübertragern der Vorwärmstufen möglichst geringe Temperaturgefälle, d. h.
geringe Entropiezunahmen, entstehen.
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Die vom Kondensatzustand an gerechnete Enthalpie der Anzapfdampfmenge,
die die Turbine verläßt, muß dabei im theoretischen Fall gerade die ebenfalls vom
Kondensatzustand an gerechnete Flüssigkeitsenthalpie decken. Entsprechend ist die
Anzapfung an der Turbine zu wählen.
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Der Temperaturbereich, über den der Turboverdichter die Wärme des
Anzapfdampfes von einer bestimmten
Temperatur verteilt, kann beliebig
gewählt werden, so daß gegebenenfalls das neue Verfahren kombiniert werden kann
mit der bekannten Regenerativ-Voriiärmung, indem beispielsweise die letztgenannte
den unteren Vorwärmbereich versorgt und da-, neue Verfahren die Vorwärmung im oberen
Temperaturbereich bewirkt.
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Ein großer Vorteil des angegebenen Vorwärmverfabrens liegt neben der
Verringerung bzw. gänzlichen Vermeidung von Anzapfungen an der Turbine außerdem
in der Unabhängigkeit des Wirkungsgrades der Vorwärmung von der Überhitzung im Dampfdrei
sp rozeß.
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Da: Verfahren gestattet, Dampfkreisprozesse zu entwickeln, in denen
die bei der üblichen Regenerativ-Vorwärmung bestehende Abhängigkeit zwischen Vorwärmung
und Überhitzung weitgehend aufgehoben ist.
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Die praktische Auswirkung der Vorteile des angegebenen Verfahrens
zur Carnotisierung der Vorwärmung sind der geringere Preis der Hauptturbine mit
keiner bzw. einer bis zwei Anzapfungen gegenüber einer Maschine mit vielen Anzapfungen.
Gleichfalls sind die Rohrleitungskosten geringer, denn das Vorwärmaggregat wird
eng mit den Vorwärmaustauschern verbunden. Die ganze Vorwärmanlage kann entfernt
von der Hauptmaschine, mit der sie über nur eine Anzapfleitung verbunden ist, in
einem Hilfsmaschinenraum untergebracht werden. Der Vorwärmturboverdichter kann bei
höchstmöglicher Drehzahl betrieben werden, d. h., er kann strömungstechnisch günstig
und in den Abmessungen klein sein, da er nicht drehzahlmäßig von anderen Anlageelementen
abhängt. Die Maschine benötigt keinen Drehzahlregler.
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Des weiteren kann diese Vorwärmeinrichtung leicht nachträglich in
vorhandenen Anlagen eingebaut werden. Da sie in der Aufstellung vollkommen frei
ist und nur eines Anzapfanschlusses bedarf, eignet sie sich ebenso wie für Landanlagen
auch vornehmlich für Schiffsantrieb. Ohne Komplikationen wird es stets möglich sein,
von der Hauptmaschine zum Hilfsmaschinenraum eine zusätzliche Rohrleitung zu legen.
Bei der heute üblichen Getriebeturbine, bei der Hoch-, Mittel- und Niederdruckteil
getrennt über Ritzel antreiben und deshalb Dampfüberhitzungsrohre haben, könnte
bei geeigneter Aufteilung des Wärmegefälles usw. direkt der Vorwärmdampf einer solchen
Überhitzung entnommen werden, so daß eine Anzapfung fortfällt. Dieses sollen nur
einige Anwendungsbeispiele sein.
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Der mit dieser Carnotisierung praktisch erreichbare Wirkungsgrad liegt
über dem Wirkungsgrad hochwertiger moderner Dampfanlagen üblicher Bauart. Dieses
wird bei dem relativ geringen Mehraufwand die Anwendung des Verfahrens in den meisten
Fällen rechtfertigen. Der Turboverdichter ist relativ sehr klein, und das Verdichtungsverhältnis
liegt dabei, selbst bei Höchstdruckanlagen, in der Größenordnung, die bei Turboverdichtern
üblich ist.
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Das vorstehend beschriebene Verfahren dient zur Carnotisierung der
Vorwärmung gegebenenfalls bis zur Verdampfungstemperatur in Dampfkreisprozessen
mit beliebiger Überhitzung bzw. auch Zwischenüberhitzung.
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Die bisherigen Mittel, wie die Anordnung von Ringkanälen und Ableitungskanälen
usw. innerhalb der Kraftmaschinen (Turbine) für das in den einzelnen Stufen auszentrifugierte
Wasser, sind nur Behelfsmaßnahmen, die keineswegs den Effekt einer vollkommenen
Ableitung bzw. einer beliebigen Begrenzung der Dampfnässe während der Expansion
erreichen.
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Um dagegen unabhängig vom übrigen Prozeßverlauf stets die Endnässe
des expandierenden Dampfes auf einen beliebigen Wert begrenzen zu können, soll nach
der Erfindung aus der Kraftmaschine (Turbine) zwischen zwei geeigneten, aufeinanderfolgenden
Stufen der Dampf über einen Wärmeübertrager geleitet werden, in dem er getrocknet
und gegebenenfalls etwas überhitzt wird durch Anzapfdampf, der einer vor dem Übertrager
liegenden Stufe der Maschine entnommen wird. Gleichzeitig wird diesem Anzapfpunkt
der Dampf für die entsprechende Regenerativ-Vorwärmstufe entnommen. Das im Wärmeübertrager
gebildete Kondensat fließt zusammen mit dem Vorwärmdampf der Vorwärmung zu. Durch
Wahl der Anzapfpunkte kann das Temperaturgefälle in dem Wärmeübertrager festgelegt
werden.
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Es können auch im Zuge der Expansion mehrere Übertrager, d. h. mehrere
Trocknungsstufen, angewandt werden. Wie jedoch leicht zu ermitteln ist, genügt in
den meisten Fällen eine Stufe. Dabei kann die Stufenzahl der Regenerativ-Vorwärmung
beliebig gewählt werden.
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Dieses Verfahren gestattet, einen Kreisprozeß freizügig zu entwickeln,
ohne die vielfach gegebene Einschränkung durch zu hohe Dampfnässe in den Niederdruckstufen
der Kraftmaschine.
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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 dämpf- bzw. gasförmig. Es ist aus diesem Grunde auch
keine Lösung der Aufgabe möglich ohne die Anwendung eines Verdichters.
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Infolgedessen kommt in weiterer Ausgestaltung der Erfindung ein Verfahren
zur Carnotisierung der Verdampfung und eines Teiles der Überhitzung in Dampfkreisprozessen
zur Anwendung, bei dem in bekannter Weise eine Heizdampfmenge nach Teilexpansion
zur Verdampfung möglichst hoch vorgewärmten Kondensats unter Ausnutzung der Überhitzungswärme
abgezweigt wird, wobei die gesamte Kondensatmenge in mehreren Wärmeübertragern,
sogenannten Verdampfern, verdampft wird, die heizdampfseitig hintereinander, kondensatseitig
jedoch parallel geschaltet sind und die bei der sinkenden Temperatur des Heizdampfes
zur Erzielung geringer Temperaturgefälle, d. h. einer nur kleinen Entropiezunahme,
Dampf verschiedenen Druckes erzeugen, wobei der mittlere Druck dem Eintrittsdruck
der Hauptmaschine entspricht und die Dampfmengen verschiedenen Druckes durch einen
Turboverdichter, als Ausgleichsmaschine wirkend, auf den mittleren Druck derart
gebracht werden, daß die Dampfmengen niedrigen Druckes verdichtet und die Dampfmengen
höheren Druckes expandiert werden auf den mittleren Druck, während die Mengenverteilung
so eingerichtet wird, daß die Ausgleichsmaschine in sich leistungsmäßig vollkommen
ausgeglichen ist, und ferner der Heizdampf nach dem Austritt aus dem letzten Verdampfer
auf den Eintrittsdruck der Hauptmaschine wieder verdichtet wird, wonach er vor Eintritt
in den Überhitzer Überhitzungswärme von dem abgezapften Heizdampf in einem vor den
Verdampfern liegenden Wärmeübertrager erhält.
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Beide vorstehend beschriebenen Verfahren können zur gleichzeitigen
Carnotisierung von Vorwärmung und Verdampfung sowie gegebenenfalls eines Teiles
der
Überhitzung erfindungsgemäß miteinander verbunden werden.
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Beide Verfahren sind geeignet für alle Druckgebiete und für alle Leistungen.
Der Wirkungsgradgewinn gegenüber dem Clausius-Rankine-Prozeß nimmt mit steigendem
Anfangsdruck ab. Der zusätzliche Aufwand an Maschinen usw. nimmt jedoch ebenfalls
ab. Eine solche Carnotisierung der Verdampfung - in Verbindung mit einer Carnotisierung
der Vorwärmung - erzielt auch bei hohen Anfangsdrücken eine relativ hohe Wirkungsgradverbesserung,
die den technischen Aufwand rechtfertigt. Unter anderem bestehen noch die folgenden
Vorteile für die Gestaltung und den Betrieb einer nach diesem Verfahren arbeitenden
Anlage. Die Dampfmenge am Eintritt der Maschinen ist relativ groß, so daß hohe Maschinenwirkungsgrade
erreichbar sind. In gleichem Sinne wirkt sich aus, daß die Verdichtung und die Expansion
fast nur im Überhitzungsgebiet verlaufen. Der Verdichter ist im Vergleich zu Gas-
und Luftturbinen klein, da er nur einen Teil der Arbeitsdampfmenge zu verdichten
hat. Durch Änderung des Druckes p1 und Konstanthaltung dies Druckverhältnisses p2
läßt sich eine Leistungsregelung bei ganz flachem Wirkungsgradverlauf durchführen,
da der Carnotisierungseffekt fast unabhängig von dem Druck p1 ist. Diese Leistungsregelung
bedarf keines Zusatzverdichters, wie z. B. die Luftturbine. Sie läßt sich einfach
durch Brennstoff- und Speiseregelung bewirken.
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Die Turbinenregelung ist einfachster Art, indem nur für die Dauer
des Regelvorganges z. B. eine Drosselung oder ein Umgehungs- (Parallelschluß-) Ventil
betätigt wird, während nach Einstellung auf den neuen Lastzustand sofort wieder
mit vollem Strömungsquerschnitt gefahren werden kann. Bei gleichen Leistungen sind
im Vergleich zur Luftturbine die Abmessungen kleiner, da das Arbeitsvermögen des
Dampfes größer ist als das der Luft. Der praktisch erreichbare Wirkungsgrad ist
bei gleichen Voraussetzungen größer als bei der Luftturbine oder Dampfprozessen
gleichen Druckes p, Bei Anwendung von Höchsttemperaturen sind die Überhitzer weniger
gefährdet als beim Luftprozeß, da der Dampfprozeß eine leichtere Begrenzung nach
oben durch z. B. Wassereinspritzung gestattet. Ferner sind die Wärmeübergänge bei
Dampf besser als bei Luft. Das Verfahren kann auch bei Anzapf- und Gegendruckbetrieb
benutzt werden. Diese Hinweise sollen nur in großen Zügen zeigen, welche Möglichkeiten
und Eigenschaften dem Verfahren bei einem relativ einfachen Aufbau der Anlage eigen
sind.
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Die Anordnung zur Carnotisierung der Verdampfung hat eine gewisse
Ähnlichkeit mit einem Gasturbinenprozeß. Von einem solchen unterscheidet er sich
jedoch günstig durch den relativ viel kleineren Verdichter. Bei der Gasturbine wurden
Turbine und Verdichter stets von der ganzen Menge des Arbeitsmediums durchlaufen.
Beim vorliegenden Dampfprozeß dagegen hat der Verdichter nur einen Teil des Arbeitsmediums
zu verarbeiten, und zwar den Teil, der gasförmig bleibt, während der andere Teil
des Kreisprozesses seinen Aggregatzustand ändert, d. h. kondensiert und wieder verdampft.
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Je höher der Enddruck des Kreisprozesses liegt und je kleiner das
Druckverhältnis des Verdichters ist, d. h. je enger der Bereich der carnotisierten
Verdampfung gewählt wird, um so weniger ist die aufzubringende Verdampfungswärme.
Entsprechend sinkt der Aufwand für die Verdichtung. Der carnotisierte Vorwärmteil
des Kreisprozesses wird um das Maß der Verkleinerung des Verdampfungsteiles größer.
Diese in bestimmten Grenzen zulässige Gestaltungsfreiheit ist ein Vorteil, da hierbei
in der Praxis den Anlageelementen höheren Wirkungsgrades ein größerer Wirkungsbereich
zugemessen werden kann.
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Wenn schon im Verdampfungsteil allein der Verdichter relativ kleiner
ist als im Gasturbinenprozeß, so verschiebt sich dieses Verhältnis noch mehr zugunsten
des Dampfprozesses, wenn der ganze Kreislauf betrachtet wird, von dem die carnotisierte
Verdampfung ja nur ein Teilbereich ist.
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Bei einem Vergleich des ganzen Dampfprozesses mit einem Gasturbinenprozeß
fällt demgemäß der relativ sehr kleine Verdichter des ersteren auf. Dieses ist auch
leicht einzusehen, wenn berücksichtigt wird, daß im Gasturbinenprozeß der Verdichter
nur in einem kleinen Druckgebiet von dem ganzen Druckbereich arbeitet. Dieses ist
sehr günstig im Hinblick auf den praktisch erreichbaren Nutzeffekt, denn der Maschinenaufwand
zur Durchführung eines carnotisierten Prozesses, d. h. zur Schließung des inneren
Energiekreislaufes, ist stets mit Rücksicht auf die Kosten, die Verluste, die Teillastwirkungsgrade
usw. möglichst klein zu halten.
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An Hand der Zeichnung sollen das Verfahren nach der Erfindung und
seine Anwendung an einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
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Abb. 2 zeigt eine Anlage zur Carnotisierung der Vorwärmung. Vom Dampferzeuger
1 mit Überhitzer 2 strömt der Dampf durch die Hochdruckturbine 3 und nach Zwischenüberhitzung
in 4 über Turbine 5 in den Kondensator 6. Die Speisepumpe 7 drückt das Kondensat
über die Vorwärmung 8 und 9 in den Dampferzeuger 1.
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Die erste Stufe der Vorwärmung 8 wird direkt mit Anzapfdampf aus der
Turbine 5 versorgt. Der Dampf für die letzten fünf Stufen der Vorwärmung 8 wird
vor der Zwischenüberhitzung 4 entnommen. Im Wärmeübertrager 9 gibt der Dampf einen
Teil seiner Überhitzungswärme an das vorgewärmte Speisewasser vor seinem Eintritt
in den Dampferzeuger ab. In den letzten zwei Vorwärmstufen von 8 gibt der Dampf
den Rest der Überhitzungswärme ab, um dann von der vierten Vorwärmstufe nach Abgabe
von Wärme an das Kondensat in die Ausgleichsmaschine 10 einzutreten. Hier wird ein
Teil expandiert und der andere Teil komprimiert, um den Stufen 2 und. 3 und 5 und
6 als Vorwärmdampf zugeführt zu werden.
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Die Turbine T und der Verdichter K der Ausgleichsmaschine 10 sind
leistungsmäßig vollkommen ausgeglichen. Dieser Zustand stellt sich ganz automatisch
ein bei einer entsprechenden Dimensionierung.
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Die Abb. 3 zeigt eine Anordnung, bei der gegenüber dem Beispiel der
Abb. 2 die ersten beiden Vorwärmstufen durch direkte Anzapfungen an der Turbine
5 versorgt werden und ferner die Überhitzungswärme der Anzapfung vor der Zwischenüberhitzung
im Wärmeübertrager 11 auf das ganze Speisewasser und im Wärmeübertrager 10 auf einen
Teil des Speisewassers, der in der fünften Vorwärmstufe abzweigt, übertragen wird.
Die Verteilung der Speisewassermengen auf den Abzweig und die letzten Vorwärmstufen
geschieht dabei so, daß hinter dem Wärmeübertrager 10 und hinter der letzten Vorwärmstufe
der Vorwärmung 8 annähernd gleiche Temperaturen erreicht werden. Prinzipiell besteht
zwischen den Anordnungen nach Abb. 2 und 3 kein Unterschied. Nur die Übertragung
der restlichen Überhitzungswärme ist unterschiedlich. Bei Abb. 2 wird sie in der
letzten
Vorwärmstufe der Vorwärmung 8 übertragen, während in Abb.3
diese Übertragung auf einen abgezweigten Speisewasserstrom im Übertrager 10 geschieht.
Welche Anordnung in der Praxis die zweckmäßigere ist, muß von Fall zu Fall entschieden
werden. Diese beliebig zu vermehrenden Beispiele sollen zeigen. daß das Verfahren
einer Vorwärmung von nur einer Anzapfung aus mittels eines Verteilungsinaschinenaggregates
über einen beliebigen Temperaturbereich hin an jede Bedingung der Praxis angepaßt
werden kann.
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Wie aus Abb. 1 ersichtlich ist, kann mit Hilfe eines zusätzlichen
Wärmeübertragers 4 das Expansionskondensat in der Turbine beseitigt werden. Zwischen
den Turbinen 3 und 5 wird der Dampf über einen Wärmeübertrager 4 geleitet, in dem
er getrocknet und gegebenenfalls etwas überhitzt wird durch Anzapfdampf, der einer
vor dem Wärmeübertrager 4 liegenden Stufe der Turbine 3 entnommen wird. Gleichzeitig
wird diesem Anzapfpunkt der Dampf für die entsprechende Regenerativ-Vorw ärmstufe
entnommen. Das im Wärmeübertrager 4 gebildete Kondensat fließt zusammen mit dem
Vorwärmdampf der Vorwärmung zu.
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Das Ts-Diagramm der Abb.4 -zeigt -den in Vorwärmung und Verdampfung
zu carnotisierenden Kreisprozeß (I) a c e h i k L in. Von a
bis b ist die Vorwärmung bereits nach einer der beschriebenen ?Methoden als
carnotisiert zu betrachten. Diesem Kreisprozeß ist ein zweiter Kreisprozeß (II)
überlagert mit dem Verlauf ä 1a. i aa. Dieser Prozeß verläuft nur im Überhitzungsgebiet,
also ohne Änderung des Aggregatzustandes des Arbeitsmediums. Entlang den Strecken
j h und h i sind die Zustandsgrößen und Zustandsänderungen dieselben wie
beim zu carnotisierenden Prozeß. Auf diesen Strecken können beide Prozesse mithin
zusammengeleitet werden. Die Punkte f und i liegen auf gleicher Temperatur.
Wenn nun entlang ist eine Wärme entnommen werden soll, die der erforderlichen Wärme
2 b c e f 3 gleich 2 b d f 3
entspricht, so muß in ä lz i it
eine Dampfmenge GI, hinlaufen, die sich zur Dampfmenge GI des ersten Prozesses verhält:
Bei entsprechender Änderung des Entropiemaßstabes, iedoch bei gleichem Temperaturmaßstab,
geht der Kreisprozeß (1I) über in g' h' f b. Er ist über
b c c f gezeichnet, da seine Abwärme 2 b f 3 entlang b c c f
übertragen werden soll.
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Das Druckverhältnis f-1- ist so zu wählen, daß die Flächen
b c d und d f e gleich sind.
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Hier liegt nun der gleiche Fall vor wie bei der Carnotisierung der
Vorwärmung nach dem anfangs beschriebener. Verfahren. Dort wurde eine Zustandsändern
g mit konstanter Temperatur mit einer Zustand änderung veränderlicher Temperatur
gekoppelt, um ar ' letztere Wärme ohne Temperaturgefälle- d. h. ohne _ :nderung
der Entropie-zu übertragen. Hier null i-iuß eine Zustandsänderung f b mit
einer Zustandsänderung b c e f unter gleichen Voraussetzungen gekoppelt werden.
Die Richtung des Wärmestromes ist zum ersten Fall jedoch umgekehrt. Eine Zustandsänderung
fallender Temperatur gibt also Ul-i':rme ab an eine Zustandsänderung mit annähernd
konstanter Temperatur. Im Ts-Diagramm der Abb. 6 ist der für diesen Fall interessierende
Teil der Abb. 4 gezeigt. Wie früher beschrieben, tritt bei der Wärmeübertragung
ein innerer Energieausgleich in Form von mechanischer Arbeit auf, indem Expansionsarbeit
(+) der Fläche d f e Verdichtungsarbeit (-) d c b leistet. Infolge
der Flächengleichheit wird keine Energie nach außen abgegeben oder von außen bezogen.
Die Abb. 7 zeigt ein praktisches Beispiel einer Realisierung des ganzen Vorganges.
Von a nach b
strömt der Dampf des Kreislaufes (II) und gibt in den Wärmeübertragern
1 bis 5 seine Wärme bei fallender Temperatur ab. Bei c tritt das (gemäß Diagramm
Abb.4 bis b vorgewärmte) Wasser ein. Es wird von Stufe zu Stufe vorgewärmt, wobei
gemäß Abb.7 jeweils ein Teil des Wassers über Drosselventile in die Stufen einströmt
und hier verdampft. Die Sattdampfdrücke in den Stufen 1 bis 5 entsprechen den Temperaturstufen
des Dampfes von a bis b. Der Druck in Stufe 3 ist der Anfangsdruck p1 der Kreisprozesse
(I) und (II). In den Stufen 1 und 2 ist er höher. Von hier expandiert der Dampf
über die Turbinenstufen 6 und 7 von Stufe zu Stufe bis 3. In gleicher Weise wird
der Dampf niedrigeren Druckes der Stufen 4 und 5 von den Verdichterstufen 9 und
8 auf den Druck p1 der Stufe 3 verdichtet. Nach den Voraussetzungen sind die Arbeitsabgabe
der Turbine und die Arbeitsaufnahme des Verdichters ausgeglichen. Der Dampf der
Stufe 3 tritt bei d aus, nachdem er in den Stufen 2 und 1 (bis Punkt f des Ts-Diagramms)
überhitzt wurde. Der Dampf des Kreisprozesses (TI) durchläuft vom Eintritt d bis
Austritt b die Zustandsänderung f b, während das Arbeitsmedium des Prozesses
(I) vom Eintritt c bis Austritt d die Zustandsänderung b c e f erfährt. Theoretisch
ist der Vorgang nach Abb. 7 mit unendlicher Stufung zu denken. Alle Teilvorgänge
stehen dabei im thermischen Gleichgewicht. Die Wärmeübertragung geschieht also ohne
Entropiezunahme. Bei der praktischen Ausführung des Vorschlages nach Abb.7 werden
in den meisten Fällen eine Expansions- und eine V erdichterstufe eine genügende
Anpassung der verschiedenen Zustandsverläufe ergeben.
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In dem Prozeß nach Abb. 4 ist die Carnotisierung der Vorwärmung, der
Verdampfung und eines Teiles der Überhitzung durchgeführt. Die zugeführte Wärme
ist 1 a b g' li f h i k L na 5. Die abgeführte
Wärme entspricht der Fläche 1 a m 5. Die Arbeit ist die Differenz. Auf den
Strecken g h, h i beträgt die Dampfmenge GI+GII. Auf den Strecken
i n, n g beträgt die Dampfmenge G,1. Auf den übrigen Abschnitten des Kreislaufes
(I) ist die Dampfmenge GI.
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Geschieht die Übertragung der Abwärme von Kreislauf (II) auf Kreislauf
(I) nur mittels eines Gegenstromübertragers, so ergeben sich die Verhältnisse des
Ts-Diagramms der Abb B. Abb. 9 zeigt den Wärmeübertrager. Hier müssen die Temperaturen
entlang f' b' höher als die Temperaturen entlang b c e f
oder zumindest
gleich sein, wie z. B. im Punkt c. Stets tritt bei einer solchen Übertragung eine
Entropiezunahme s ein, die hier nach Abb. 8 s=sl+s. beträgt. Trotzdem wird man in
der Praxis wegen de-Einfachheit und der geringeren Anlagekosten oft dies `Übertragung
wählen.
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Abb.5 zeigt das Prinzipschaltbild einer Anlag e nach Abb.4. 1 ist
der Wärmeübertrager. Das gestrichelte Feld soll je nach Ausführung (nach Abb. 7
oder 9) den Wärmeübertrager aufnehmen. Die Leitungsanschlüsse sind mit gleichem
Buchstaben bezeichnet. Kreislauf (I) : Wärmeübertrager 1, Überhitzer
2
und 3, Turbine 4, Zwischenüberhitzer 5, Turbine 6, Kondensator 7, Speisepumpe 8,
Vorwärmung 9, Übertrager 1.
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Die Abb. 10 bis 14 zeigen rein schematisch die Schaltungen einiger
Dampfkraftanlagen, die nach den beschriebenen Verfahren arbeiten.
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In Abb.10 ist der Lauf der kondensierenden Dampfmenge: Überhitzer
1, Turbine 2, Zwischenüberhitzer 1 a, Turbine 3 (nur bei sehr hohen Temperaturen),
Wärmeaustauscher 4, Vorwärmung 7, Verdampfung 8, Ausgleichsmaschine 9. Vor Eintritt
in die Turbine T kann der durch die Verdampfung 8 erzeugte Dampf durch Überhitzungswärme
im Austauscher 11 bzw. direkt durch Feuergase im Überhitzer 12 überhitzt werden.
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Der Lauf der dampfförmig bleibenden Dampfmenge läuft: Überhitzer 1,
Turbine 2, Wärmeübertrager 10 und parallel Wärmeübertrager 11, Verdampfung 8, Verdichter
13, Wärmeübertrager 10. Vor Überhitzer 1 werden die Dampfmengen beider Umläufe vereinigt,
um gemeinsam Überhitzer 1 und Turbine 2 zu durchlaufen, wonach sie sich wieder trennen.
In der unter 8a gezeigten Verdampfung, die an sich 8 entspricht, wird das Speisewasser
in zwei weiteren Stufen (nach Vorwärmung 7) weiter vorgewärmt auf die jeweilige
Verdampfungstemperatur in den einzelnen Verdampferstufen.
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Abb. 11 zeigt bei an sich gleichem Aufbau gegenüber der Abb. 10 zusätzlich
eine mit der Ausgleichsmaschine 9 organisch verbundene Vorwärmturbine 15, die die
einzelnen Stufen der Vorwärmung 7 mit Dampf versorgt. Die Pumpe 16 drückt das Kondensat
aus der Vorwärmung in die Speisewasserleitung. Bei dieser Schaltung fallen alle
Anzapfungen an der Hauptmaschine fort.
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Die Turbine der Ausgleichsmaschine 9 hat bei Überhitzung des Dampfes
in 10 bzw. 12 einen Leistungsüberschuß gegenüber dem Verdichter von 9, wenn er nur
den Dampf seiner Stufe verdichtet. Bei Kombination mit einer Vorwärmturbine 15 ist
zusätzlich noch deren Leistung als Überschuß vorhanden. Diese Mehrleistung wird
benutzt zur Entlastung des Verdichters 13, indem der Verdichter der Ausgleichsmaschine
9 so bemessen wird, daß er die Turbinenmehrleistung aufnehmen kann. Der Verdichter
13 wird entsprechend kleiner. -In Abb. 10 und 11 dienen die Leitungen 14 zu diesem
Ausgleich. In jedem Falle ist so die Ausgleichsniaschine 9 bzw. 9 und 15 leistungsmäßig
ganz ausgeglichen; so daß keine zusätzlichen Regeleinrichtungen erforderlich sind,
was einen besonderen Vorteil darstellt hinsichtlich eines sehr einfachen Aufbaues.
Die Drehzahl p-äßt sich ganz automatisch den-Dampfdurchsätzen an.
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Die Abb. 12 zeigt ein Beispiel mit nur einer Überhitzung -in 1. Die
Turbinen 2 und 2a sind parallel geschaltet: Turbine 2 treibt den Verdichter 11.
-Der übrige Aufbau entspricht im Vorwärm- und Verdampferteil= der Anordnung nach
Abb: 10. Die Anordnung nach Abb. 12 läßt jedoch eine gesonderte Aufstellung der
Verdichtergruppe 2 bis 11 zu, die nun mit beliebiger Drehzahl laufen kann, unabhängig
vom elektrischen Generator. Dieses ist ein Vorteil, als nun der Turboverdichter
ohne besonderen Regler einfach aufgebaut und hinsichtlich der erforderlichen Leitungen
günstiger aufgestellt werden kann. Auch läßt sich bei dieser Anordnung die Teillastregelung
sehr wirtschaftlich durchführen.
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Eine Kombination der Carnotisierung der Vorwärmung nach Abb.3 und
der Carnotisierung der Verdampfung sowie eines Teiles der Überhitzung nach Abb.
10 ist in Abb. 13 dargestellt.
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Zwei Stufen der Vorwärmung in der Nähe bzw. im Sattdampfgebiet werden
durch direkte Anzapfungen an der Niederdruckturbine 4 versorgt. Fünf Stufen der
Vorwärmung erhalten ihren Vorwärmdampf über die Verteilungsmaschine 9. Die Überhitzungswärme
des Anzapfdampfes vor der Zwischenüberhitzung 1a wird über die Wärmeübertrager 10
und 11 an das Kondensat abgegeben. Die in drei Druckstufen der Verdampfung 12 erzeugte
Dampfmenge wird über die Ausgleichsmaschine 13 vor der Überhitzung 1 dem Kreislauf
zugeführt. Im Wärmeübertrager 15 erfolgt die Überhitzung des Dampfes vor dem Eintritt
in die Turbine des Ausgleichsaggregates, und im Wärmeübertrager 14 wird die Überhitzungswärme
an den Dampf aus dem Verdichter 16 übertragen, d. h. ein Teil des Überhitzungsgebietes
hierdurch carnotisiert. Entgegen den vorhergehenden Beispielen ist in Abb.13 das
Druckgefälle des gas- bzw. dampfförmig bleibenden Kreislaufes kleiner als das Druckgefälle
zwischen Überhitzung und Zwischenüberhitzung. Auch hier dient die Ausgleichsleitung
17 dazu, die Ausgleichsmaschine 13 in sich leistungsmäßig zu stabilisieren, was
eine Entlastung des Verdichters 16 bedeutet.
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Entsprechend der Abb. 12 ist die Abb. 14 ein Beispiel für eine Trennung
des Verdichteraggregates von der Hauptturbine, um dieses in der Aufstellung und
Drehzahl unabhängig zu machen. Auch hier gelten dieselben Vorteile, die bei dem
Beispiel der Abb. 12 angeführt wurden, wie Erhöhung der Teillastwirkungsgrade usw.
Im übrigen ist, wie der Vergleich mit Abb. 13 zeigt, der Aufbau und die Anordnung
dieselbe.
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Bei der carnotisierten Verdampfung kann der Wärmeaustauscher d'er
unteren Druckstufe gegebenenfalls eingespart werden durch direkte Einspritzung der
dieser. Stufe entsprechenden Kondensatmenge in den' Heizdampf, wobei aus diesem
dann die entsprechende Dampfmenge von dem Verdichter der Aus= gleichsmaschine über
die Ausgleichsleitung angesaugt wird.
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Zur Vermeidung unnötiger Druckverluste im Heizdampfkreis (Überhitzung,
Turbinenhochdruckteil, Verdampfung, Verdichtung, Wärmeübertrager vor dem Überhetzer)
ist zu empfehlen; in geeigneter Ausbildung-die Hauptregelung der Turbine, in Richtung
zum Kondensator ,gesehen, hinter dem Heizdampfäbzweig anzuordnen.
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Diese Beispiele sind nur ein kleiner Teil der mÖ§-lichen Kombination.
Sie lassen sich in beliebiger Zahl erweitern. Die angegebenen Verfahren zur Carnotisierung
der einzelnen Phasen des Dampfkreisprozesses können allen Erfordernissen der Praxis
ängepaßt werden, wie z. B. für neue Anlagen; Vorschaltanlagen, Anlagen für Gegendruckbetrieb,
zur Modernisierung vorhandener Anlagen usw: Die Verfahren sind zudem universell
anwendbar für stationäre Kraftanlagen, Schiffsantrieb-usw. In jedem Fall sind die
Wirkungsgrade wesentlich höher, als sie mit den bekannten Kraftanlagen nach dem
Clausius-Rankine-Proze3 und mit der bekannten Regenerativ-Vorwärmung durch Anzapfungen
an der Hauptturbine erzielt werden.
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Der Mehraufwand an Anlageteilen, wie Ausgleichs-' bzw. Verteilungsmaschinen,
steht in keinem Verhältnis zu dem Wirkungsgradgewinn, da diese Zusatzmaschinen prozentual
nur sehr klein sind im Vergleich zur Leistung der Hauptmaschine. Hierin besteht
beispielsweise
- zur Gasturbine -ein.--ganz wesentlicher Unterschied,
da bei dieser die ganze Menge des Arbeitsmediums über den ganzen Druckbereich verdichtet
werden muß, während hier nur ein 'geringer Teil des Dampfes über einen kleinen-
Druckbereich eine Verdichtung erfährt.
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Es kann auch eine Kombination des Dampfkreisprozesses nach den angegebenen
Verfahren mit einem-Gasturbinenprozeß vollzogen werden, indem die Ab= gase einer
Gasturbine zunächst in einem nachgeschalteten Verdampfer in beispielsweise drei
Druckstufen verdampft und durch ein Ausgleichsaggregat in der beschriebenen Weise
auf- einen mittleren Druck -ge= bracht werden. Hiernach kann dieser Dampf, in beliebiger
Weise -weitererhitzt, einer Dampfturbine zugeführt werden. Das heißt, der Kreislauf
des dampfför= mig bleibenden Arbeitsmittelanteils des angegebenen carnotisierten
Dampfprozesses kann durch einen Gasturbinenprozeß ersetzt werden, so daß dieser,
wiebeschrieben, gekuppelt wird- mit dem Teil des Dampfprozesses, dessen Arbeitsmedium
seinen Aggregatzustand ändert, also kondensiert, und dann nach der Vorwärmung wieder
verdampft. Die Carnotisierung geschieht dabei im Dampfteil dieser Kombination genauso
wie beim reinen Dampfkreisprozeß mittels der beschriebenen Verfahren.
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Das Prinzip der Carnotisierung nach Abb. 4 und 5 ist geeignet für
alle Druckgebiete und für alle Leistungen. Der Wirkungsgradgewinn gegenüber dem
Clau-SiuS-Rankine-PrOZeß nimmt mit-steigendem Anfangs= druck ab. Der zusätzliche`
Aufwand an Maschinen usw. nimmt jedoch ebenfalls ab. Eine solche Carnotisierung
der Verdampfung - in Verbindung mit einer Carnotisierung der Vorwärmung -erzielt
auch bei hohen Anfangsdrücken eine relativ hohe Wirkungsgradverbesserung, die den
technischen Aufwand rechtfertigt. Unter anderem bestehen noch die folgenden Vorteile
für die Gestaltung und den Betrieb einer nach diesem Verfahren arbeitenden Anlage:
Die Dampfmenge am Eintritt der Maschinen ist relativ groß, so daß hohe Maschinenwirkungsgrade
erreichbar sind. In gleichem Sinne wirkt sich aus, daß die Verdichtung und die Expansion
fast nur im Überhitzungsgebiet verlaufen. Der Verdichter ist im Vergleich zu Gas-
und Luftturbinen klein, da er nur einen Teil der Arbeitsdampfmenge zu verdichten
hat. Durch Änderung des Druckes p1 und Konstanthältung des Druckverhältnisses 2
läßt sich eine Leistnxngsregelung bei ganz flachem Wirkungsgradverlauf durchführen,
da der Carnotisierungseffekt fast unabhängig von dem Druck p1 ist. Diese Leistungsregelung
bedarf keines Zusatzverdichters; wie z. B. die Luftturbine. Sie läßt sich einfach
durch Brennstoff- und Speisungsregelung bewirken.
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Die Turbinenregelung ist einfachster Art, indem nur für die Dauer
des Regelvorganges z. B. eine Drosselung oder ein Umgehungs- (Parallelschluß-) Ventil
betätigt wird, während nach Einstellung auf den neuen Lastzustand sofort wieder
mit vollem Strömungsquerschnitt gefahren werden kann. Bei gleichen Leistungen sind
im Vergleich zur Luftturbine die Abmessungen kleiner, da das Arbeitsvermögen des
Dampfes größer ist als bei der Luftturbine oder Dampfprozessen gleichen Druckes
p1. Bei Anwendung von Höchsttemperaturen sind die Überhitzer weniger gefährdet als
beim Luftprozeß, da der Dampfprozeß eine leichtere Begrenzung nach oben, z. B. durch
Wassereinspritzung, gestattet. Ferner sind die Wärmeübergänge bei Dampf besser als
bei Luft. Das - Verfahren . nach -Abb: 4 'und 5 kann -auch. beiß Anzapf-undGegendruckbetrieb
benutzt werden. Diese' Hinweise sollen nur in großen Zügen zeigen, welche Möglichkeiten-
und Eigenschaften dern Verfahren bei einem relativ einfachen =Aufbau der Anlage
eigen, sind. _ Die beschriebenen Verfahren erzielen einen sehr hohen '»Cärnotisierungsgrad«,
- dessen Definition an1 Anfang gegeben würde. -Der praktisch erreichbare: Wirkungsgrad
liegt demgemäß wesentlich höher als bei allen-bekannten Arten--von "Dampfkraftanlagen:.
Der zusätzliche- Aufwand an Maschinen und"Einrieh= tungen- zur Dürchführting der
neuen Verfahren istrelativ zum Gewinn gering, so daß die Anwendung in den meisten
Fällen von großem Vorteil ist. Wie weit der Carnotisierungsgead zu treiben ist,
muß von Fall zu Fall nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten erwogen werden.