DE145802C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

Eine Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades der Dampfmaschine ist nur bei Wiedergewinnung der Wärme des Abdampfes durch Kompression desselben bis zum trockengesättigten bezw. schwachgesättigten Zustande, also nicht isodynamisch und bis zur Anfangsspannung möglich. Komprimiert man Maschinenabdampf so, wie in der deutschen Patentschrift 99352 angegeben bis auf die Anfangsspannung, so wird wegen der Arbeitsverluste durch die Reibung usw. ohne besonderen Kondensator keine Nutzleistung erzielt. Wird das Volumen des bis auf die Anfangsspannung komprimierten Abdampfes

nach der Kompression durch Überhitzung vergrößert, und während der Kompression durch Einspritzung in den Zylinder so stark abgekühlt, daß derselbe am Ende derselben trocken oder sehr schwach gesättigt ist, so würde die gewonnene Arbeit gleich sein der Arbeit, welche bei den heutigen Dampfma-, schinen durch die Volumenvergrößerung des Dampfes bei Überhitzung gewonnen wird, wenn durch die Einspritzung das während der Kompression im Zylinder eingeschlossene Dampfgewicht nicht vermehrt würde.

Da jedoch die eingespritzte Flüssigkeit bei Kompression des Dampfes vor dem Kolben bis zum trockengesättigten Zustande verdampft, und der dadurch gebildete Dampf ebenfalls bis auf die Anfangsspannung komprimiert wird, so wird dadurch der nützliche mittlere Diagrammdruck bezw. die Nutzleistung so klein, daß sie zum größten Teile durch die Reibungswiderstände in der Maschine verzehrt und der thermische Wirkungsgrad infolgedessen nicht größer als der der heutigen Dampfmaschinen wird.

Versieht man die neue Maschine, ebenso wie die heutigen Dampfmaschinen, mit Auslaß-Organen und öffnet dieselben beim Kolbenrückgange, jedoch nur so lange, bis durch dieselben so viel Dampf entwichen ist, als durch die Einspritzung entsteht, so wird die Kompressionsarbeit bezw. der mittlere Diagrammdruck derselben kleiner und die nützliche Arbeit bezw. der nützliche mittlere Diagrammdruck größer und damit . auch der thermische Wirkungsgrad größer. Die Maschine ist alsdann keine vollständig geschlossene Dampfmaschine mehr.

Spritzt man auch Flüssigkeit in den Überhitzer und zwischen Zylinder und Überhitzer eingeschaltete Dampf sammler ein, so hält man die Auslaßventile so lange offen, bis so viel Dampf entwichen ist, als durch die gesamte Einspritzflüssigkeitsmenge gebildet wird, und erzielt dadurch eine weitere Verminderung der Kompressionsarbeit und Vergrößerung der Nutzleistung.

Läßt man die Maschine mit sehr hoher Anfangsspannung arbeiten, so ist die Spannung des entweichenden Abdampfes so hoch, daß derselbe, wenn dieselbe mit Wasserdampf arbeitet, für Heiz- und Kochzwecke, den Betrieb normaler Dampfmaschinen usw. verwendet werden kann.

Unter normalen Verhältnissen wird man weniger Flüssigkeit einspritzen bezw. Dampf entweichen lassen, als eine moderne Dampf-

maschine Abdampf liefert und die Ablaßorgane nur 5 bis 50 Prozent des Kolbenhubes offen halten.

Die Flüssigkeitseinspritzung in die Dampfsammler und den Überhitzer hat außer der Vergrößerung des nützlichen mittleren Diagrammdruckes den Zweck, die Lebensdauer des direkt geheizten Überhitzers zu vergrößern¹, und eine bessere Ausnutzung des Heizwertes des Brennmaterials durch höhere Temperatur im Verbrennungsraum zu erzielen, denn der Überhitzer kann alsdann statt mit Feuergasen von 700 bis 900° mit solchen von 1200⁰ und darüber geheizt werden.

Wenn man den Überhitzer mit Hochofengichtgasen oder anderen Abgasen mit nicht zu hoher Temperatur heizt oder so viel Flüssigkeit in den Zylinder einspritzt, daß der Dampf sehr stark gesättigt ist, so ist

die Lebensdauer des Überhitzers auch ohne Flüssigkeitseinspritzung in denselben sehr groß.

Wenn man statt Wasserdampf Sctnvefelig-

säuredampf, Ätherdampf usw. verwendet, so wird der vor der Kompression aus den Zylindern entweichende Dampf durch Oberflächenkondensatoren in den flüssigen Zustand zurückgeführt und wieder zur Einspritzung verwendet.

Die Fig. 1, 2 und 3 zeigen beispielsweise eine Ausführungsform der neuen Maschine mit einem Zylinder in liegender Anordnung.

α sind die Dampfeinlaßventile, welche in

derselben Weise gesteuert werden, wie bei den heutigen Ventilmaschinen. Die Ventile a¹ sind selbsttätige Ventile, durch welche der komprimierte Abdampf mittels des Kolbens a³ durch einen Dampf sammler mit kräftig wirkendem Dephlegmator (Ölabscheider) in den Überhitzer gedrückt wird. Die Ventile <j² sind gesteuerte Ventile, durch welche so viel Abdampf vor der Kompression desselben hinausgelassen wird, als durch die Flüssigkeitseinspritzung gebildet wird, b ist eine Zerstäubungsvorrichtung (Körting'sche Streudüse) (Fig. 2) mit Schraubengang, durch welche die durch die kupferne Rohrleitung c unter Überdruck zugeführte Flüssigkeit während der Kompression (von Beginn des Kolbenrückganges bis etwa zum halben Hube) in den Zylinder eingespritzt, wird.

Statt einer Streudüse können auch zwei — an jedem Zylinderende eine — verwendet werden, so daß während des ganzen Kolbenhubes Flüssigkeit eingespritzt werden kann.

Die Regulierung der Einspritzflüssigkeitsmenge in den Zylinder bietet am wenigsten Schwierigkeiten, wenn die Einspritzung während der Zeit, in welcher die Dampfspannung vor dem Kolben annähernd konstant ist, das ist, während die Auslaßorgane offen sind, also vor der Kompression erfolgt.

Die Kompression ist alsdann eine adiaba-.tische, und es genügt eine Einspritzvorrichtung in der Mitte des Zylinders.

Der Arbeitsprozeß der neuen Maschine ist alsdann folgender: . .

Hochgespannter und hochüberhitzter Dampf, welcher in dem Überhitzer erzeugt wird, tritt durch die Ventile α in den Arbeitszylinder d und treibt den Kolben a^s in bekannter Weise bis an das andere Zylinderende. Beim Kolbenrückgange wird der Dampf vor dem Kolben durch Einspritzung abgekühlt, bis auf die Anfangsspannung komprimiert, und dann durch Ventil a¹ durch einen mit Ölabscheider versehenen Dampfsammler in den Überhitzer gedrückt, und nach der Überhitzung gelangt derselbe wieder zu erneuter Arbeitsleistung in der vorstehend beschriebenen Weise in den Arbeitszylinder d.

Beim Kolbenrückgange werden die Auslaßventile a² so lange geöffnet, bis die durch die Flüssigkeitseinspritzung und die in dem mit dem Überhitzer verbundenen kleinen Dampfkessel entstehende Dampfmenge entwichen ist.

In den Fig. 4, 5, 6 und 7 stellt das Diagramm e, f, g, j und k die hinter dem Kolben a^s geleistete positive Arbeit dar, das Diagramm e, i, h, j und k die negative Arbeit beim Kolbenrückgange, wenn durch die Ventile λ² nur so viel Dampf vor der Kompression entweicht, als durch die Einspritzung in dem Zylinder gebildet wird; das Diagramm e, i¹, h¹, h,j und k stellt die negative Arbeit beim Kolbenrückgange dar, wenn durch die Ventile a'² so viel Dampf vor der Kompression entweicht, als durch die gesamte Flüssigkeitseinspritzung gebildet wird.

Die Avagerecht schraffierten Differenzdiagramme i, f, g, h und i der Fig. 4, 5, 6 und 7 stellen die gewonnene Arbeit für verschiedene Dampfspannungen, verschiedene Füllungen, verschiedene Überhitzertemperaturen und unter der Annahme dar, daß der Arbeitsprozeß in einem Zylinder durchgeführt wird, und daß vor und während der Kompression so viel Flüssigkeit eingespritzt wird, daß der Dampf am Ende der Kompression gerade trocken gesättigt ist, und vor der Kompression so viel Dampf hinausgelassen worden ist, als durch die Flüssigkeitseinspritzung in den Zylinder gebildet wird.

Durch die senkrecht schraffierten Flächen der Fig. 4, 5, 6 und 7 wird die Arbeit dargestellt, welche gewonnen wird, wenn so viel weniger Dampf komprimiert wird, als durch die Einspritzung in die Dampfsammler und den Überhitzer gebildet wird, also vor der Kompression durch die Ventile α² hinausgelassen, wird.

Der mittlere Druck der schraffierten Diagrammflächen ist so groß, daß sich bei der hohen zulässigen Kolbengeschwindigkeit infolge des hohen Dampfdruckes, des frühzeitigen Beginnens und der Höhe der Kompression bis zur Anfangsspannung, der zulässigen Verwendung doppeltwirkender Zylinder infolge der Abkühlung des Dampfes vor bezw. während der Kompression, Zylinderdimensionen ergeben, bei welchen sich bei dem günstigen Verlauf des Prozesses außerordentlich geringe Abkühlungsverluste ergeben, wie sich aus folgendem ergibt:

Da die Kompression kurz nach Beginn des Kolbenhubes beginnt, so braucht der schädliche Raum nur so groß gemacht zu werden, daß der Kolben nicht an die Zylinderdeckel stößt und die Wärmemenge, welche der Frischdampf an den bis auf die Anfangsspannung komprimierten trockenen Dampf im schädlichen Raum abgibt, ist daher sehr klein, und da auch bis zum Beginn der Kompression nur ganz minimale Mengen Dampf aus dem Räume vor dem Kolben hinaus-" gelassen werden, so ist die Temperatur des Dampfes vor dem Kolben ganz erheblich höher, wie bei den heutigen Dampfmaschinen und mithin das Temperaturgefälle der Zylinderwände ganz erheblich niedriger.

Da der Dampf um fast ebensoviel Prozent, als die Füllung beträgt, vor beendigtem Kolbenhube bis auf die Anfangsspannung und bis zum trockengesättigten Zustande komprimiert wird, so trifft der frisch eingelassene Dampf trockene Zylinderwände an und die sogenannte Eintrittskondensation fällt daher weg, und die Wärme, welche von den Zylinderwänden der heutigen Dampfmaschinen an den Auspuffdampf abgegeben wird, wird erspart, weil der Dampf vor dem Kolben durch Kompression desselben bis auf die Anfangsspannung wiedergewonnen wird, und somit fällt auch der von der Lässigkeit des Kolbens herrührende Dampfverlust fort.

Durch die höhere Temperatur des Dampfes vor dem Kolben und das dadurch sich ergebende geringe Temperaturgefälle der Zylinderwände wird der Koeffizient k der Expansionskürve kleiner und dadurch der nützliehe mittlere Diagrammdruck größer.

Der mittlere Druck wird erhöht durch größere Füllungen, höhere Dampfspannungen, höhere Überhitzertemperaturen, stärkere Abkühlung des Dampfes vor und während der Kompression, und vor allem durch das Hinauslassen von Abdampf aus dem Zylinder vor der Kompression desselben.

Die Regulierung der Maschine wird durch die Einwirkung eines oder mehrerer Regulatören auf die Füllung oder die Dampfspannung oder beides zugleich, auf die Einspritzwassermenge und die Auslaßorgane, welche so viel Abdampf vor der Kompression desselben hinauslassen, als durch die Einspritzung gebildet wird und die Überhitzertemperatur. bewirkt.

Selbst wenn auch der Überdruck der gepreßten Einspritzflüssigkeit auf gleicher Höhe gehalten wird (Akkumulatorbetrieb), so wird es bei wechselnder Expansionsendspannung doch zweckmäßig sein, die Einspritzwassermenge durch einen besonderen Regulator zu regulieren.

Die Regulierung der Überhitzertemperatur kann durch den Heizer oder automatisch durch Einwirkung des Maschinenregulators oder eines Ausdehnungs-Temperaturreglers auf den Querschnitt der Luftzuführungsoder Rauchgaskanäle oder durch einen Dampfstrahl-Schornsteinventilator, welcher mit der bei wechselnder Belastung der Maschine von der Einspritzwassermenge herrührenden überschüssigen wechselnden Dampfmenge betrieben wird (Lokomotiven und Schiffsmaschinen), erfolgen.

Da der Expansionszylinder nicht mit Oberflächenkühlung (Kühlmantel) versehen werden darf, so muß bei Einspritzung und Oberflächenkühlung der Prozeß entweder in zwei Zylindern, von denen der erste Expansionszylinder und der zweite Kompressionszylinder ist, ausgeführt werden.

Wenn der Prozeß einfachexpandierend durchgeführt wird und zwei Zylinder verwendet werden, so werden dieselben hintereinander oder nebeneinander gelegt.

Fig. 8 zeigt eine Anordnung der beiden Zylinder nebeneinander mit dazwischenliegender Kammer /, so daß die Abkühlung des in dem Zylinder m expandierten Dampfes in / und m durch Einspritzung und während der Kompression in η durch Mantelkühlung erfolgt.

Für die Einspritzung darf nur vollständig reine Flüssigkeit verwendet werden.

Wenn bei den heutigen doppeltwirkenden Heißdampfmaschinen die Überhitzung und die Füllung so groß werden (360⁰ Überhitzung und 20 Prozent Füllung), daß der Dampf am Ende der Expansion nicht mehr in den gesättigten Zustand übergeht, so sind dieselben mit allen Mängeln der Heißluftmaschine behaftet, denn die reibenden Zylinder- und Kolbenteile werden zerstört, da der Dampf alsdann weder zur Schmierung noch zur Kühlung derselben beiträgt.

Diese Mängel werden heute dadurch \^erhütet, daß man dieselben einfachwirkend ausführt oder Mehrfachexpansionsmaschinen mit Vor- und Zwischenüberhitzung und geringer Überhitzertemperatur verwendet.

Bei der vorliegenden neuen Dampfmaschine treten diese Übelstände, selbst bei viel höheren

Temperaturen und Füllungen, nicht auf, wenn der Dampf bei Beginn und während der Kompression so stark abgekühlt wird, daß für die Kompressionskurve die Zustandsgleichung für gesättigten Dampf ν · ρ ¹^³⁵ = V₁-P₁^ gilt.

Wenn der Dampf vor dem Kolben, also während der Kompression, während des ganzen Hubes gesättigt ist, so können selbst

ίο bei sehr hohen Überhitzertemperaturen und großen Füllungen doppeltwirkende Zylinder verwendet werden.

Führt man die Maschine beispielsweise als Zweifachexpansionsmaschine aus, so geschieht dies in der Weise, daß man den Dampf bei einmaligem Durchgang durch die Maschine ein- oder zweimal überhitzt und den Niederdruckzylinder mit fixer oder veränderlicher Füllung arbeiten läßt und entweder der Hochdruckzylinder oder der Niederdruckzylinder den Dampf bis auf die Anfangsspannung komprimiert. Wenn der Hochdruckzylinder den Dampf bis auf die Anfangsspannung komprimiert, so arbeitet der Nieder- druckzylinder mit dem durch die Einspritzung entstehenden, durch die A^entile α² entweichenden Dampf.

Läßt man den Niederdruckzylinder, wenn er den Dampf bis auf die Anfangsspannung komprimiert, mit vom Regulator veränderlicher Füllung arbeiten, so ist es zweckmäßig, die Steuerung und Reguliervorrichtung so auszuführen, daß das Verhältnis der Füllungen des Hochdruck- und des Niederdruckzylinders stets gleich ist.

Bei Anwendung einer Rider-Kolbensteuerung können in diesem Falle beide Steuerungen eine gemeinsame Schieberstange und ein gemeinsames Regulatorgestänge erhalten,

<P wenn die Neigungen der Kanal- und Schieberkanten entsprechend den verschiedenen Füllung'en gewählt werden.

Um ein regelmäßiges Arbeiten einer Zweifachexpansionsmaschine mit Zwischenüberhitzung (Fig. 9) zu ermöglichen, ist es zweckmäßig, daß der Niederdruckzylinder, wenn er den Dampf bis auf die Anfangsspannung komprimiert, bei einem Hube die gleiche Gewichtsmenge Dampf ansaugt, welche dem Hochdruckzylinder zuströmt bezw. aus demselben entweicht. Ist dieses der Fall, so folgt der Dampf bei der Überhitzung dem

V T
Gay-Lussac'schen Gesetz -X₇- = ^, so daß,

wenn V das Hubvolumen des Hochdruckzylinders und T die absolute Temperatur des Dampfes beim Austritt aus dem Hochdruckzylinder und V₁ das Volumen und T₁ die absolute Temperatur dieser Dampfmenge

nach der Überhitzung ist, so ergibt sich das Volumen, welches der Niederdruckzylinder bezw. der Verdichter bei jedem Hube an-

saugen muß, aus der Formel F₁ = V· -ψ, vorausgesetzt, daß der gesammte Abdampf angesaugt und komprimiert wird. Selbstverständlich kann der Prozeß in einer Zweifachexpansionsmaschine, bei welcher der Niederdruckzylinder Kompressionszylinder ist, auch in der Weise durchgeführt werden,. daß der Dampf nur vor dem Eintritt in den Hochdruckzylinder überhitzt wird und die Einspritzung in den Niederdruckzylinder bezw. in einen im geeigneten Moment mit demselben in Verbindung gesetzten Kondensator erfolgt, und der Dampf bei dem Kolbenrückgange des Niederdruckzylinders bis auf die Anfangsspannung komprimiert wird.

Diese Art der Durchführung des Prozesses kann mit Vorteil dann durchgeführt werden, wenn man bei einem direkt geheizten Überhitzer möglichst stark gesättigten Dampf überhitzen will.

Statt Wasserdampf können, \vie bereits erwähnt, auch andere geeignete Dämpfe verwendet werden.

Die Regulierung der der jeweiligen Belastung der Maschine entsprechend einzuspritzenden Flüssigkeitsmenge in den Zylinder geschieht durch das Ventil 0 (Fig. 2) mit go konischem oder geradem, gegen Zerstörung geschützten Sitz (H eyl and t-Ventil) mit Führung durch die runde Stange p, welches durch den um den festen Drehzapfen¹ r sich drehenden Hebel s mit Friktionsrolle t vermittels Feder u und verstellbarem Gewicht ν geschlossen, und durch die auf der parallel zur Maschinenachse liegenden Steuerrölle n> sitzenden unrunden Scheibe χ bei Beginn des Kolbenrückganges (Kompression) geöffnet 100' wird und so lange offen gehalten wird, bis die zur Arbeitsgewinnung erforderliche Flüssigkeitsmenge eingespritzt ist. Die Steuerschraube χ ist mittels Nut und Feder gegen Verdrehung auf der Welle jv geschützt, und in axialer Richtung auf derselben verschiebbar. Der Daumen y der Steuerschraube χ ist, wie aus dem Grundriß (Fig. 3) derselben ersichtlich, in der Längsrichtung der Steuerwelle jv keilartig gestaltet, und zwar derart, daß die linke Längsseite desselben zur Wellenachse parallel ist, das Ventil ο also stets bei gleicher Kolbenstellung bei Beginn des Hubes geöffnet wird und die rechte Längsseite des keilartigen Daumens gegen die Zylinderbezw. Steuerwellenachse geneigt ist, das Ventil also je nach der Längsstellung von χ früher oder später geschlossen ist.

Die axiale Verschiebung der Daumenscheibe χ erfolgt in der aus Fig. 1 ersiehtliehen Weise durch Einwirkung eines Zentrifugalregulators {■

Claims (1)

1. Patent-Anspruch:
   Verfahren zur Erhöhung des thermischen Nutzeffektes der Dampfmaschinen durch unter Wärmeentziehung erfolgende Kompression des bei der voraufgegangenen Expansion abgekühlten Abdampfes bis auf die Anfangsspannung und Überhitzung desselben zu erneuter Arbeitsleistung, dadurch gekennzeichnet, daß vor und während der Kompression durch Auslaßorgane aus den Zylindern so viel Dampf hinausgelassen wird, als sich bei der Verdampfung der in die Zylinder, Dampfsammler und Überhitzer eingespritzten bezw. in letzterem befindlichen Kühlflüssigkeit neu bildet.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.