DE1751996A1 - Vorrichtung zur Lieferung von Dampf in eine Maschine od.dgl. - Google Patents

Vorrichtung zur Lieferung von Dampf in eine Maschine od.dgl.

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DE1751996A1
DE1751996A1 DE19681751996 DE1751996A DE1751996A1 DE 1751996 A1 DE1751996 A1 DE 1751996A1 DE 19681751996 DE19681751996 DE 19681751996 DE 1751996 A DE1751996 A DE 1751996A DE 1751996 A1 DE1751996 A1 DE 1751996A1
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DE
Germany
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boiler
heating element
steam
temperature
channel
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Application number
DE19681751996
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Inventor
Lawrence Willis Thompson
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Comstock and Wescott Inc
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Comstock and Wescott Inc
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22STEAM GENERATION
    • F22BMETHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B1/00Methods of steam generation characterised by form of heating method
    • F22B1/20Methods of steam generation characterised by form of heating method using heat evolved in a solution absorbing steam; Soda steam boilers

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  • Control Of Steam Boilers And Waste-Gas Boilers (AREA)

Description

Unser Zeichen» C 2573
COMSTOCK & WESCOTT, INC. 765 Concord Avenue
Cambridge, Massachusetts / V.St.A. Vorrichtung zur Lieferung von Dampf in eine Maschine oder dergleichen.
Die Erfindung bezieht eich auf Kraftanlagen, welche insbesondere zum Antrieb von Fahrzeugen geeignet sind und Wärmespeichermaterialien, wie Natriumhydroxyd oder andere Alkalimetallhydroxyde verwenden. Solche Materialien können, wenn sie frisch mit Wärme beladen sind, eine Temperatur von 482°C (900oF) oder darüber aufweisen und während des Arbeitszyklus kann ihre Temperatur an bestimmten Punkten in der Anlage auf i49°C (300°F) oder darunter abfallen. Der Entzug von Wärme zum Zweok des Fahrzeugan
triebs
Bu/Ob
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triebe kann nach oder gleichzeitig alt dem Laden stattfinden.
Wärmekraftmaschinen Bit Turbinen oder Kolben, vie die Stirling-Kasohine oder die übliche Dampfmaschine, können ala Uaiwandlungs vor richtungen von Wärme in Kraft verwendet werden. Die Turbine hat den Vorteil geringen Gewichte, die Stirlinci-Maschine besitzt einen hohen Wirkungsgrad und eine Kolbennaeohine ist in der Lage, unter Belastung anzulaufen.
Zur Erzielung eine* wirkungsvollen Betriebe« müssen solche Haschinen »it unter hohes Druck stehende·f Überhitztem Dampf versorgt werden, dessen Zustand innerhalb vernünftig enger Orenzen geregelt 1st. Der Zustand des Dampfes wird durch zwei beliebige seiner Eigenschaften bestin»t, wobei Temperatur und Druck, gemäß der Erfindung am zweckmäßigsten verwendet werden. Der Zustand des Dampfes kann beispielsweise innerhalb eines fur eine Kolbenmaschine geeigneten Bereiches festgelegt werden, indem seine Temperatur im Bereich von 26Ό - 3710C (500 - ?00eF) und sein Druck auf etwa 35 at (500 pel) gehalten wird. Höhere Temperaturen sind infolge der nachteiligen Wirkungen auf Schmiermittel und Metalle unzweokmllfiig. Die Turbine kann Dampf mit Temperaturen von 51O0C (95O°F) und darüber
bei
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bei ähnlichen oder höheren Drücken verwenden.
Bei den bekannten, mit Brennstoff geheizten Dampferzeugungsanlagen steht das Fluid, Wasser oder bewegter Dampf in direkter Berührung mit einer Seite, beispielsweise den Innenflächen der rohrförmigen Dampferzeugungselemente und die auf hoher Temperatur befindlichen Verbrennungeprodukte des Brennstoffs stehen in Berührung mit der anderen Seite. Die Temperatur der Verbrennungsprodukte ist zur Zerstörung der Rohre hoch genug, wenn nicht Wasser vorhanden ist oder der Dampf sich schnell genug an der Oberfläche vorbeibewegt, damit die notwendige Kühlung erasielt wird. Wenn der Wasserdampf oder sonstige Dampf zum Antrieb einer Maschine verwendet wird, deren Geschwindigkeit oder Leistungsabgabe unabhängig über weite Bereiche veränderlich sein muß, ergibt sich ein in-weiten Grenzen veränderlicher Dampfbedarf am Dampferzeuger. Zur Erzielung eines vernünftigen Wirkungsgrades der Maschine muß der Dampferzeuger den gewünschten Zustand des Dampfes trotz des veränderlichen Bedarfes beibehalten.
Bin Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Kraftanlage, welche einfach und wirtschaftlich aufgebaut ist, welche Dampf mit vorbestimmtem Druck und vorbe
stimmter
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atimmter Temperatur bei minimaler Regelung erzeugt, welche eine Maschine über weite Temperaturänderungen der Wärmequelle wirksam betreibt, welche in der Lage ist, Dampf bei Bedarf augenblicklich in maximaler Menge abzugeben, welche gestattet, daß das Heizelement ständig mit maximalem Wirkungsgrad arbeitet, bei welcher die Luftverschmutzung in den Abgasen möglichst gering ist, welche ermöglicht, daß die Wärmequelle in einem etwa dem mittleren Bedarf und nicht dem maximalen Bedarf entsprechenden Ausmaß betrieben wird, welche ein verhältnismäßig kleines HeiaLement erfordert, welche einen Betrieb des Brenner· auch mit trockenen Boilerrohren ohne Beschädigung der Rohre ermöglicht und welche dauerhaft, wirtschaftlich und zuverlässig in Betrieb ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist auft einen Boiler mit einem Einlaß und eine« Auslaß zum Anschluß an eine Flüssigkeit zuleitung bzw. die Maschine, ein dien Boiler umgebendes Gehäuse, einen in Gehäuse angeordneten Heizelement, wobei zwischen Boiler land Heizelement ein Zwischenraum vorhanden ist, Värmespeiohermaterial, welches im wesentlichen diesen Zwischenraum ausfüllt und als Puffer zwischen Boiler und Heizelement sowie zur Zuführung von Warne buk Boiler dient, wenn der Wärmebedarf des Boiler·
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zu irgendeinem Zeitpunkt größer ist als die Wärmelieferung des Heizelements, sowie eine auf die Temperatur des Wärmespeiohermaterials ansprechende Steuereinrichtung für das Heizelement, wobei der Einlaß im oberen Teil des Gehäuses und der Auslaß im unteren Teil des Gehäuses angeordnet ist und das Heizelement derart angeordnet ist, daß das Värmespeichermacerial fortschreitend von oben nach unten erwärmt wird. Vorzugsweise weist das Gehäuse eine Ober- und eine Boden- . M wand mit darin enthaltenen Öffnungen auf und das Heizelement weist einen ersten, diese Öffnungen miteinander verbindenden Kanal sowie Einrichtungen zum Umwälzen von Verbrennungsgasen oder anderen Heizsubstanzen nach unten durch diesen Kanal auf. Bei der bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung einen oder mehrere zusätzliche Kanäle, welche sich zwischen Ober- und Bodenwand erstrecken, einen Verteilerkanal, welcher die zusätzlichen Kanäle am Boden miteinander verbindet, und einen Abzugskanal für die zusätzlichen Kanäle an der Oberseite ^ auf, wobei die zusätzlichen Kanäle um den/treten Kanal verteilt sind und die temperaturabhängige Einrichtung an der Oberseite des Zwischenraums angeordnet ist. Stattdessen kann die Wärme durch elektrische Energie erzeugt werden, wobei die Kanäle durch geeignete Schutzrohre er
setzt
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setzt werden, innerhalb welcher Yideratandaheizelemente angeordnet aind.
Anhand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Ka aeigt
Figur 1 einen echematlachen, vertikalen Mittelschnitt durch eine Ausführungafora der Erfindung,
Figur 2 einen Schnitt länga der Linie 2-2 in Figur 1 und
Figur 3 eine Seitenansicht der Boilerechlange.
Die dargestellte Ausführungβform der Erfindung weist ein Oe hau β β 1 mit einer Boilerkanuner, welche durch eine Decke 2 und einen Boden 3 gebildet wird, sowie eine Brennkammer k auf, welohe inagesäet von einer nicht gezeigten thermischen Isolierung umgeben sein können. Durch die Boilerkammer erstrecken eich von einem Verteilerkanal 5 zu einem Abzugskanal 6 Gaakanäle 7 aowie ein mittlerer Kanal Jc, welcher aich von der Brennkammer zum Verteilerkanal 5 erstreckt. Dadurch strömen die Verbrennungsgaae nach unten duroh den mittleren Kanal 7c und nach oben durch die seitlichen Kanäle 7. Von einem Einlaß 8 zu
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einem Auslaß 9 erstreckt eich eine Boilerschlange 11, welche zu einer Maschine oder einer anderen dampfbetriebenen Vorrichtung führt, wobei die Schlange von den Kanälen 7 einen Abstand aufweist. Die Schlange kann zwar irgendeine zweckmäßige Form aufweisen, ist jedoch vorzugsweise kontinuierlich fortschreitend nach unten geführt, wie in Figur 3 gezeigt. Der Zwischenraum zwischen Schlange und Kanälen ist mit Natriumhydroxyd oder einem anderen Wärme speichermaterial 13 ausgefüllt. Ein schmaler Zwischenraum 2k ist zwischen der Oberfläche 23 des geschmolzenen Natriumhydroxyds, wenn sich dieses auf seiner maximalen Temperatur befindet, und der Decke 2 vorgesehen. Zum Einlaß 8 führt eine Fltissigkeiqjzuleitung \ht weiche eine Pumpe 16 enthält. Die Pumpe ist durch eine Nebenleitung 17 überbrückt, welche ein Ventil 18 enthält, das auf den Druck zwischen Einlaß 8 und Pumpe 16 anspricht,' so daß Flüssigkeit in der Nebenleitung an der Pumpe vorbeigeleitet wird, wenn der Druck ein vorbetetimmtes Maximum erreicht. Ein Brennstoffbrenner 19 wird durch ein Ventil 21 gesteuert, welches auf einen Thermostaten 22 anspricht, der in das Värmespeichermaterial 13 nahe der Decke 2 eingesenkt ist, damit das Brennstoffventil 21 geschlossen wird, wenn die Temperatur des Warmespeicheramterials ein vorbe st innate s Maximum von 3^3°Ο (65O°F)
erreicht
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erreicht, und damit das Ventil geöffnet wird, wenn die Temperatur dee Materials ein vorbestimmtee Minimum von 329°C (6250F) erreicht, welches oberhalb des Schmelzpunktes von 318°C (6O5°r) des Materials liegt.
Die Pumpe 16 liefert Flüssigkeit mit einer im wesentlichen konstanten Geschwindigkeit, welche etwas oberhalb des für den Boiler erforderlichen Maximums liegt, wobei der Überschuß durch die Nebenleitung I7 zirkuliert. Die Eigenschaften des Überbrückungeventils 16 sind so gewählt, daß der Druckabfall an demselben sich nur geringfügig ändert, wenn sich die Strömungsgeschwindigkeit durch dasselbe von maximalen Wert auf den minimalen Wert ändert, und es hält einen im wesentlichen konstanten Druck in der zu» Einlaß 8 des Boilers geliefert«» Flüssigkeit aufrecht. 80 kann der bei 8 gewünschte Druck, beispielsweise 42 at (6QQ psi) innerhalb ausreichend enger Grenzen gehalten werden, und zwar unabhängig davon, ob die Maschine einen maximalen Dampfbedarf hat, wenn sie maximale Leistung abgibt, oder ob sie nahezu keinen Dftmpfbedarf hat, wenn sie geringe oder Meine Leistung abgibt. Die Schlange 11 besitzt eine solche L&nge und einen solchen Querschnitt ι daß der Druckabfall zwischen Binlaß und Auslaß 9 bei maximalem Durchsatz gering ist. Demtnt-
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sprechend ergibt die genannte Drucksteuerung am Einlaß 8 eine ausreichende Steuerung des Drucke« des am Auslaß 9 gelieferten Dampfes. Da die Schlange vollständig von dem Wärmespeichermaterial umgeben ist, welches auf eine Maximaltemperatür von 343°C (ö5O°F) begrenzt ist, kann die Schlange nioht überhitzt werden, auch wenn kein Wasser einströmt. Die Schlange 11 weist eine ausweichende Oberfläche auf, so daß eine
Verdampfung der gesamten Flüssigkeit in ihrem oberen V
Abschnitt möglich ist, wobei der Dampf im unteren Teil überhitzt wird.
Natriumhydroxyd oder andere Stoffe, welche als Wärmespeichermaterialien bevorzugt werden» haben größere Wärmedehnungskoeffizienten als Stahl und andere Metalle, welche für die Ausbildung von Gehäuse, Deokel, Boden und Kanälen geeignet sind. Wenn daher das Material bis zu seinem Schmelzpunkt und darüber hinaus erhitzt wird, ^
muß ein Kanal vorgesehen werden, welcher ein Entweichen der sich ausdehnenden Flüssigkeit in d«n freien Raum ük ermöglicht. Andererseits könnten so hol» Drücke entstehen, daß Teile der Anlage beschädigt wurden. Die beschriebene Anordnung ermöglicht diesen Vorgang, da die Gase aus dem Brenner bei der Durchstromung des Kanals 7c nach unten an der Oberfläche 23 des Wärmespeichermatarials einen Schraelz-
vorgang
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Vorgang auslösen, wobei sich die Schmelzzone fortschreitend an der Außenfläche des Kanals nach unten bewegt.
Die Vorteile der Anlage werden am be»ten ausgenutzt, wenn die Erhitzungsgesohwindigkelt de· Brenner· so eingestellt ist, daß etwa· mehr al· die für das Fahrzeug erforderlich· mittlere Leistung erzeigt wird. Venn der Leistungebedarf größer ist, wird dem Wärmespeichermaterial Wärm· entzogen und umgekehrt· Es können daher zwei besondere Arbeitsweisen auftreten. Bei einer Arbeitsweise ist di· Erhitzungegeschwindigkeit geringer, al· ei· für den Boiler erforderlieh ist und bei der anderen Arbeitsweise ist die Erhitzungegeachwindigkeit größer al· erforderlich·
Im ersteren Fall sei angenommen, daß das NaOH bei einer durchgehenden Temperatur von ^kJ0C (65O0F) beginnt und es wird Wärme sehr schnell durch die obersten Abschnitte der Schlange 11 abgezogen, wo ein Siedevorgang eintritt, welcher das NaOH nahe dem Thermostaten 22 auf die untere Regeltemperatur von 329°C (6250F) abkühlt. Die Väruekonvektion und die durch die Bewegung des Fahrzeugs hervorgerufene Bewegung ruft Jedooh eine Unwälaung der Flüssigkeit hervor, weiche eine gleichförmige Temperatur von der Decke bis zum Boden erzeugt untt aufrecht erhält. Venn der
Gefrierpunkt
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Gefrierpunkt erreicht ist, schreitet die Verfestigung von oben nach unten vor, wobei die darunter befindliche Flüssigkeit auf dem Schmelzpunkt verbleibt. Bei der Erzeugung von Wasβerdampf alt einer Temperatur von 316°C (öOO°F) und bei einem Druck von k2 at (600 psi), welcher zum wirksamen Betrieb einer Kolbenmaschine geeignet ist, werden etwa 87 ^» der erforderlichen Wärme zum Verdampfen der Flüssigkeit bei 252°C (486°F) und nur 13 # zur Überhitzung derselben auf 316°C (600°F) verwendet. Daher gewährleistet im unteren Teil der Schlange 11 die auf ihrem Schmelzpunkt von 318°C (o05°F) befindliche, umgewälzte NaOH-Flüssigkeit, dassdie gewunechte Temperatur des Wasserdampfes solange aufrechterhalten wird, wie eine merkliche Menge von flüssigem NaOH in der Anlage vorhanden ist. Beim Abkühlen von 3^3°C (ö50°F) auf seinen Schmelzpunkt und bei der Verfestigung- gibt jedes Kilogramm NaOH etwa 50 kcal (90Btu/lb) Wärme ab« Um den Dampf innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereiches zu halten, muß natürlich das Wärmespeichermaterial im Bereich des Dampfauslasses in einen etwas höheren Bereich arbeiten, und zwar infolge des Temperatürgradienten zwischen dem Material und dem Dampf. Die Anlage besitzt eine ausreichende WäreeUbertragungsflache zwischen der Schlange und des Wärmespeicherraaterlal, so daß gewährleistet ist, daß der aus der Sohlange austretende, überhitzte
Dampf
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Dampf eng an der Temperatur dee Wärmespeichermaterials bei dessen Schmelzpunkt
Es können im überhitzten Dampf andere Temperaturen durch Verwendung anderer Wärmespeichermaterialien erzeugt werden. Beispielsweise ist Lithiumhydroxid mit einem Schmelzpunkt von 471OC (880°F) und einer latenten Schmelzwärme von 208,5 kcal/kg (375 Btu/lb) ein bevorzugtes Material zur Erzeugung von Wasserdampf mit einer Temperatur von 4710C (88O0F). Zwischentemperaturen können durch die Verwendung von Mischungen von Alkalimetallhydroxiden mit den besonders brauchbaren eutektischen Mischungen erzielt werden.
Patentansprüche
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Claims (2)

Pa tentansprüche
1. Vorrichtung zur Zuführung von Dampf zur einer Maschine oder dergleichen innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereiches mit einem Boiler, welcher
einen Einlaß und einen Auslaß zum Anschluß an eine ^
Flüssigkeitszuführungsleitung bzw. die Maschine aufweist, einem den Boiler umgebenden Gehäuse, einem im Gehäuse angeordneten Heizelement, wobei ein Zwischenraum zwischen dem Boiler und dem Heizelement vorhanden ist, mit Wärmespeichermateriai, welches im wesentlichen diesen Zwischenraum ausfüllt und als Puffer zwischen dem Boiler und dem Heizelement sowie zur Zuführung von Wärme zum Boiler dient, wenn der Wärmebedarf des Boilers zu irgendeinem Zeitpunkt größer ist als die μ
Lieferung des Heizelements, und mit einer auf die Temperatur des Wärmespeichermaterials ansprechenden Steuereinrichtung für das Heizelement, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzpunkt des Wärmespeichennaterials innerhalb des genannton Bereiches liegt, so daß die latente Schmelzwärme dazu beiträgt, die Temperatur des Dampfes nicht unterhalb diesen Bereich abfallen zu lassen.
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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse eine Ober- und eine Bodenwand mit darin enthaltenen Offnungen aufweist} und daß das Heizelement einen diese Öffnungen miteinander verbindenden Kanal sowie eine Einrichtung zum ttnwälzen der Verbrennungegase oder anderer Heizstoffe nach unten durch den Kanal aufweist.
3· Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen oder mehrere zusätzliche Kanäle, welche sich zwischen Ober- und Bodenwand erstrecken, einen Verteilerkanal, welcher die Kanäle am Boden miteinander verbindet, und einen Abzugskanal an der Oberseite für die zusätzlichen Kanäle.
k. Vorrichtung naoh Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Kanäle um den ersten Kanal verteilt sind.
j>. Vorrichtung nach Anspruoh 1, dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturabhängige Einrichtung an dar Oberseite des Zwischenraums angeordnet ist.
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DE19681751996 1967-08-30 1968-08-29 Vorrichtung zur Lieferung von Dampf in eine Maschine od.dgl. Pending DE1751996A1 (de)

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GB1205517A (en) 1970-09-16

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