DE2366607C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Erzeugung von mechani­ scher Energie gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es ist bekannt, als Speisepumpen für solche Anlagen Dampfstrahlpumpen zu verwenden, die einfacher aufgebaut sind als mechanische Pumpen (DD-Buch "Pumpen für Flüssigkeiten" von W. Pohlenz, VEB Verlag Technik Berlin, 1970, Seiten 323 bis 327). Solche Dampfstrahlpumpen haben aber nur einen ver­ hältnismäßig geringen Bereich, in dem sie selbsttätig optimal arbeiten; sie müssen daher mit einer Düsennadel oder der­ gleichen jeweils optimal eingestellt werden, was für unbemannte Anlagen den Aufwand von störungs­ anfälligen Regeleinrichtungen bedeuten würde.

Ohne diese Regelungseinrichtungen wird aber bei vielen Betriebsbedingungen der Wirkungsgrad der Pumpe ziemlich gering sein, so daß ein großer Brennstoffverbrauch auf­ tritt und/oder die Betriebssicherheit der Anlage nach­ teilig beeinflußt wird.

Auch eine weitere bekannte Speisenpumpeneinrichtung weist eine Dampfstrahlpumpe auf (DE-PS 8 21 494). Neben der Dampfstrahlpumpe ist aber auch noch eine durch die Turbine angetriebene Kreiselpumpe vorgesehen, so daß der Aufbau viele mechanische Teile enthält und deswegen komplizierter und störanfälliger wird. Es ist weiter zu bezweifeln, ob die durch die Turbine angetriebene Kreisel­ pumpe sowie die Dampfstrahlpumpe bei verschiedenen Dampf­ drücken oder Flüssigkeitsmengen, wie sie bei wechselnder Belastung der betriebenen Anlage zur Energieerzeugung auftreten, immer zufriedenstellend, d. h. mit entsprechendem Wirkungsgrad arbeiten. Es ist vielmehr anzunehmen, daß noch besondere Steuerungseinrichtungen erforderlich sind, um unabhängig von der Belastung immer den nötigen Druck zu erhalten, damit die Arbeitsflüssigkeit in den Kessel zurückgedrückt werden kann. Dies gilt insbesondere deswegen, weil normalerweise konven­ tionelle Dampfstrahlpumpen nicht über einen größeren Bereich zufriedenstellend arbeiten.

Auch eine weitere Anlage ist kompliziert aufgebaut, da der Druck zum Zurückfördern der Flüssigkeit in den Kessel im wesentlichen durch mechanische Pumpen aufgebracht wird (US-PS 36 86 867). Eine dort gezeigte Einrichtung 44, die ähnlich wie eine Dampfstrahlpumpe wirken mag, dient in erster Linie zum Vorwärmen der Kesselspeiseflüssigkeit, wobei durch die mechanischen Pumpen mit hohem Druck beaufschlagte Arbeitsflüssigkeit mit Dampf geheizt wird, der unter niedrigem Druck steht.

Eine weitere bekannte Dampfstrahlpumpe (DE-PS 4 48 144) dient völlig anderen Zwecken. Es soll nämlich keine Arbeits­ flüssigkeit oder andere Flüssigkeit gefördert werden, sondern ein Gas, wobei als Fördermittel ein Dampf verwendet wird, der anschließend kondensiert. Eine ebenfalls in die Dampf­ strahlpumpe eintretende Flüssigkeit dient lediglich dazu, den Dampf zu kondensieren; sie soll nicht gefördert werden. Der entsprechende zur Kühlung dienende Flüssigkeitsvorhang ist dabei ziemlich unregelmäßig und offenbar nicht zusammen­ hängend, wie sich aus der Zeichnung ergibt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anlage zur Erzeugung von mechanischer Energie zu schaffen, bei der der Wirkungsgrad der Speisepumpe im wesentlichen unabhängig von den Betriebsbedingungen ist.

Die erfindungsgemäße Lösung ist in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 angegeben.

Durch die besondere Art der Ausbildung der Dampfstrahlpumpe kann auf mechanische Speisepumpen ganz verzichtet werden. Durch die besondere Ausbildung der Dampfstrahlpumpe werden auch die Probleme der Anpassung an unterschiedliche Leistun­ gen vermieden, die bei Dampfstrahlpumpen normalerweise auftreten. Wesentlich ist dabei der Flüssigkeitsmantel, der sich um den entspannenden Dampfstrahl bildet, und seine besondere Ausbildung. Durch diese automatische Anpassung an unterschiedliche Leistungen ist es möglich, die Anlage auch als unbemannte Station auszubilden, die auch unter schwierigen und wechselnden Bedingungen zuver­ lässig arbeitet. Hierfür sind die vorbekannten Anlagen nicht geeignet und jedenfalls zum Teil auch ganz offenbar nicht bestimmt.

Bei der erfindungsgemäßen Anlage wird ein kleiner Prozent­ satz des Kesseldampfes zu der Treibdüse der Dampfstrahl­ pumpe umgelenkt, wo er auf eine hohe Geschwindigkeit entspannt wird und sich im Ablaufrohr kondensiert, wodurch die Flüssigkeit im Ablaufrohr beschleunigt wird. Das so gebildete Geschwindigkeitsgefälle wird durch die Form des Ablaufrohres in einen Staudruck übergeführt.

Die automatische Anpassung des Wirkungsgrades der Dampf­ strahlpumpe geschieht ohne empfindliche und störungsanfällige zusätzliche Regelungseinrichtungen selbsttätig durch den Flüssigkeitsmantel. Es ändert sich nämlich der Kegelwinkel des Flüssigkeitsmantels, der über den Rand der Außenrinne fließt, umgekehrt mit der Menge der Flüssigkeit, die durch die Anlage zirkuliert. Bei Teillast wird der Massenfluß der Arbeitsflüssigkeit relativ niedrig und der Kegelwinkel des Flüssigkeitsmantels relativ groß sein. Arbeitet die Anlage dagegen unter Vollast, so ist der Massenfluß relativ groß und der Kegelwinkel des Flüssigkeitsmantels dement­ sprechend kleiner. Dabei ist jeweils der Prozentsatz des Dampfes, der die Düse antreibt, der gleiche.

Diese automatische Anpassung des Wirkungsgrades der Dampf­ strahlpumpe ist aber bei unbemannten Anlagen notwendig. Ändert sich nämlich die Last der Turbine, zum Beispiel durch Änderung der mechanischen Belastung, so variiert der Massenfluß der Arbeitsflüssigkeit; dieser Änderung des Massenflusses muß die Pumpe angepaßt werden.

Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unter­ ansprüchen. So kann insbesondere die Zwischenwand eine zweite, oberhalb der Außenrinne angeordnete Senke bilden, aus der die Flüssigkeit in die Außenrinne abläuft, um so noch einen besser ausgebildeten Flüssigkeitsmantel zu erhalten.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand einer vorteilhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.

Mit der Bezugsziffer 10 ist in der Abbildung eine vorge­ fertigte Anlage zur Erzeugung von mechanischer Energie bezeichnet, die mit einem Clausius-Rankine-Kreisprozeß arbeitet, der eine organische Arbeitsflüssigkeit verwendet. Diese Flüssigkeit wird in einem Kessel 11 mit Hilfe eines Brenners 12 erwärmt, der mit Brennstoff von einem Tank 13 gespeist wird. Üblicherweise besteht ein derartiger Brennstoff aus verflüssigtem Gas, das unter hohem Druck in dem Brennstofftank gehalten wird.

Die Arbeitsflüssigkeit wird in einem Dampf bei einem relativ hohen Druck im Kessel 11 überführt und der größte Teil hiervon, etwa 99%, wird in eine Turbine 14 geleitet, wo er entspannt und die Turbine und einen daran angeschlossenen Generator, der die Last 15 der Turbine bildet, in Drehung versetzt. Die Turbine ist mit einem geschlossenen Kondensator 16 verbunden, in dem Konden­ sation stattfindet, wodurch ein flüssiges Kondensat erzeugt wird, das in den Kessel mit Hilfe einer Dampf­ strahlpumpe 17 zurückgeführt wird, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist. Der Zweck der Strahlpumpe besteht darin, das flüssige Kondensat, das den Turbinenrückseitendruck aufweist, mit einem höheren Druck zu beaufschlagen, so daß es in den Kessel eintreten kann, der sich auf einem höheren Druck als das flüssige von dem Kondensator kommende Kondensat befindet.

Die Strahlpumpe 17 erzielt dieses Ergebnis über einen wei­ ten Bereich von Massendurchflußmengen der Arbeitsflüssig­ keit und ohne die Notwendigkeit irgendwelcher Hilfssteue­ rungen, um ihre Betriebscharakteristik funktionell in Relation zu der Last, mit der die Turbine beaufschlagt ist, zu setzen. Die Strahlpumpe 17 weist ein Gehäuse 18 auf, das eine geschlossene Kammer mit zentralen Öffnungen 18 a und 18 b im oberen bzw. unteren Teil besitzt, wobei im Inneren des Gehäuses 18 eine ringförmige Senke 19 und eine spezielle Düse 20, die zentral in dem Behälter 18 angebracht ist, vorhanden sind, und wobei das Gehäuse 18 ferner ein Ablaufrohr 21, das am Boden des Behälters 18 an der Öffnung 18 b angebracht ist, und ein Auslaß- oder Diffusorrohr 22 aufweist, das mit dem Ablaufrohr 21 verbunden ist. Eine geeignete Lei­ tung 23, die mit der Öffnung 18 a und dem oberen Teil des Gehäuses 18 verbunden ist, verbindet die obere Kammer 24 des Gehäuses 18 mit der Dampfseite des Kondensators und mit dem Turbinenausgang, wodurch der Druck in der oberen Kammer auf dem rückseitigen Druck der Turbine gehalten wird. Die Senke 19 ist ringförmig ausgebildet, wobei ihr äußerer Durchmesser gleich dem inneren Durchmesser des Gehäuses 18 ist, an dem sie in der Mitte desselben be­ festigt ist, wodurch die Pumpe in eine obere Kammer 24 und eine untere Kammer 25 geteilt wird. Der innere Rand 26 an der Senke 19 bildet eine mittlere Öffnung 27, die die obere und untere Kammer miteinander verbindet.

In dem Gehäuse 18 endet eine Leitung 28, die mit dem Sam­ melgefäß des Kondensators 16 zu dem Zweck verbunden ist, das flüssige Kondensat mit niedrigem Druck von dem Sam­ melraum in die Senke 19 zu führen, von wo aus die Flüssig­ keit über den Rand 26 in die untere Kammer 25 überläuft.

Mittig ist in dem Behälter 18 eine Düse 20 angeordnet, die ein Kopfstück 30 aufweist, das mit Dampf von dem Kessel 11 über eine geeignete Leitung 29 gespeist wird, und ein abwärts gerichtetes Entspannungsrohr 31 besitzt, das sich durch die mittlere Öffnung 27 erstreckt und in der unteren Kammer 25 in einem auswärts gerichteten um­ laufenden Flansch 32 endet, der unterhalb der Lippe 26 der Senke 19 angeordnet ist. Der Flansch 32, der das flüssige Kondensat, das über die Senke überläuft, auf­ fängt, besitzt einen abgerundeten Umriß, der weich in die Innenfläche des Rohrs 31 übergeht, in dem sich Dampf aus dem Kopfstück 30 entspannt. Das aufwärts gerichtete freie Ende des Flansches 32 bildet eine ringförmige Außenrinne, die dazu dient, die von der Senke 19 überfließende Flüssigkeit zu sammeln, und die als ein zeitweiliges Reservoir dient, von dem flüssiges Konden­ sat sanft über den Flansch in einen kontinuierlichen, sich peripher erstreckenden, konkav ausgebildeten Flüssig­ keitsmantel 33 überführt werden kann, der eine ringförmi­ ge Hülle bildet, die in ihrem Inneren den aus dem Rohr 31 austretenden, sich entspannenden Dampf enthält, der die Flüssig­ keit beschleunigt, wobei sich der Flüssigkeitsmantel nach unten hin verjüngt. Unterhalb des Ablaufrohrs und damit verbunden ist ein divergierendes Auslaß- oder Diffusorrohr 22, das es ermöglicht, den Strom zu verlang­ samen, indem sein Geschwindigkeitsgefälle in einen Stau­ druck überführt wird, der ausreicht, die Flüssigkeit durch ein Rückschlagventil 50 zu drücken und in den Kessel zum erneuten Durchlaufen des Kreislaufs einzu­ führen.

Der Kegelwinkel des Flüssigkeitsmantels, der über den Flansch 32 strömt, ist in der Zeichnung mit dem Buch­ staben α bezeichnet; dieser Winkel ändert sich automa­ tisch im umgekehrten Verhältnis zum Massendurchfluß der Arbeitsflüssigkeit. Bei geringen Belastungen wird der Massendurchfluß relativ klein und der Kegelwinkel relativ groß sein, wie durch gestrichelte Linien in der Zeichnung angedeutet ist. Wenn die Last anwächst, steigt der Massendurchfluß und bewirkt, daß der Kegel­ winkel zusammen mit einem entsprechenden Anwachsen des ringförmigen Querschnitts des Flüssigkeitsmantels ab­ nimmt. Der Strom trifft auf diese Weise an einer weiter unten gelegenen Stelle als vorher auf die sich konisch verjüngenden Wände des Ablaufrohrs 21. Diese Anordnung liefert die selbstregulierende Kompensation, die ent­ scheidend für den sicheren Betrieb einer Einrichtung des beschriebenen Typs an einer entfernt gelegenen Stelle ist.

In der bevorzugten Ausführungsform nimmt die Leitung 23, durch die die obere Kammer des Behälters auf dem rück­ wärtigen Druck der Turbine gehalten wird, die Leitung 28 auf, durch die flüssiges Kondensat in die Kammer 24 geführt wird. Dabei ist die Leitung 28 zentral in der größeren Leitung über eine Entfernung, die so groß wie möglich ist, angeordnet, um zu vermeiden, daß flüssiges Kondensat unter extrem kalten Umgebungs­ temperaturen gefriert.

Es wird ferner bevorzugt, daß die Beziehung zwischen der Anordnung der Pumpe 17 auf der einen Seite und des Kessels, des Kondensators und der Turbine auf der anderen Seite folgendermaßen ist:

• 1. Die Pumpe sollte über dem Kessel angeordnet sein, so daß beim Abschalten darin befindliche Flüssigkeit in den Kessel aufgrund der Schwerkraft fließt.
• 2. Der Kondensateinlaß zur Pumpe sollte unterhalb der Lager 49 der Turbine und die Lager selbst sollten unter­ halb des Kondensators angeordnet sein, so daß das Kon­ densat aufgrund der Schwerkraft vom Kondensator durch die Lager in die Senke 19 der Pumpe fließt. Eine Folge dieser Anordnung besteht darin, daß das System selbst­ startend ist, da sämtliche Flüssigkeit beim Abschalten in den Kessel fließt, so daß die Lager trocken sind.

Bei einigen organischen Arbeitsflüssigkeiten ist die Um­ gebungstemperatur, der das System ausgesetzt wird, der­ art, daß die gesamte Flüssigkeit sich im gefrorenen Zu­ stand im Kessel befindet. Kein gefrorenes Material wird den Dampfstrom beim Starten blockieren oder in den La­ gern vorhanden sein, um eine Rotation der Turbine zu behindern oder unmöglich zu machen.

Beim Starten wird der Kessel mit Wärme beaufschlagt, wodurch im letzteren Dampf erzeugt wird, der anfänglich durch die Turbine strömt, ohne diese zu drehen. Wenn der anfängliche Dampf kondensiert, läuft er in die Lager und in die Pumpe 17. Wenn genügend Dampf erzeugt ist, um die Turbine in Rotation versetzen zu können, sind die Lager bereits genügend geschmiert. Weiterhin wird ein Flüssigkeitsmantel 33 in der Pumpe vorhanden sein, der zu arbeiten beginnt, wenn der Arbeitsflüssigkeitsstrom anwächst.

Claims (5)

1. Anlage zur Erzeugung von mechanischer Energie mit Hilfe des Clausius-Rankine-Kreisprozesses, mit einem Kessel (11), in dem Arbeitsflüssigkeit durch äußere Wärmezufuhr verdampft wird, mit einer vom Dampf beaufschlagten Turbine (14), die an eine äußere Last (15) angeschlossen ist, mit einem Kon­ densator (16) zum Kondensieren des Dampfes, und mit einer Speisepumpeneinrichtung (17) zum Zurückführen der kon­ densierten Arbeitsflüssigkeit in den Kessel (11), die eine mit einem Teil des erzeugten Dampfes betriebene Dampfstrahl­ pumpe mit einem Gehäuse (18) aufweist, das durch eine Zwischenwand (19) unterteilt ist, durch die sich eine Treibdüse erstreckt und die eine Durchtrittsöffnung für die zum Kessel zu fördernde Flüssigkeit besitzt, welche oberhalb der Zwischenwand in die Pumpe eintritt und unterhalb der Zwischenwand in Gestalt eines Flüssigkeitsmantels in ein sich an die Treibdüse (20) anschließendes und sich nach unten verjüngendes Ablaufrohr (21) strömt, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtrittsöffnung für die zum Kessel zu fördernde Flüssigkeit als Ringöffnung (27) zwischen der Zwischenwand (19) und der Außenwand der Treibdüse (20) ausgebildet ist, wodurch die Flüssigkeit sich in einer ringförmigen Außenrinne am unteren, sich aufweitenden Ende der Treibdüse (20) sammeln und über einen die Außenrinne begrenzenden Rand (32) ablaufen kann, so daß sie einen Flüssigkeitsmantel (33) um den sich entspannenden Dampfstrahl bildet.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenwand der Dampfstrahlpumpe (17) eine Senke (19) bildet, die an ihrer zur Treibdüse (20) gerichteten Innenseite von einem erhöhten Rand (26) begrenzt ist.

3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kondensat, das der Senke (19) zugeführt wird, durch eine Leitung (28) im Inneren einer größeren Leitung (23) geführt wird, die das obere Ende der Dampfstrahlpumpe (17) mit der Dampfseite des Kondensators (16) verbindet.

4. Anlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Kondensat (28), bevor es der Dampf­ strahlpumpe (17) zugeführt wird, durch die Lager der Turbine (14) läuft.

5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine (14) oberhalb der Höhe der Flüssigkeit in dem Kessel (11) angeordnet ist.