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Dampfkraftanlage
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Es wurde bereits in der Stammanmeldung zur Steigerung des Wirkungsgrades
einer Dampfkraftanlage eine solche mit Speisewasserentnahmevorwärmung, Überhitzung
des Hochdruckdampfes, Kondensation des Abdampfes bei Vakuum sowie Zwischenüberhitzung
vorgeschlagen, die erfindungsmäßig dadurch gekennzeichnet war, daß im Bereich des
expandierenden Arbeitsdampfes, d. h. im Bereich der Dampfturbine wenigstens ein
Rekuperator angeordnet ist, der im Betrieb die Oberhitzung des teilentspannten Arbeitsdampfes
vor dessen Restexpansion reduziert und vom Speisewasser als wärmeaufnehmendes Medium
durchströmt ist. (Teilweise Enthitzung des Arbeitsdampfes zum Zwecke einer höheren
Vorwärmung des Speisewassers).
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Ein weiteres Mittel zur Steigerung des thermischen Wirkungsgrades
von Dampfkraftanlagen ligin der mehrfachen Anwendung der. Zwischentberhitzung. Es
wurden in der Praxis bisher jedoch nur Dampfkraftanlagen mit höchstens zweifacher
Zwischenüberhitzung ausgeführt, weil t s man bisher fü:r drei- und mehrfache Zwischenüberhitiungvden
baulichen Aufwand als zu groß und eine solche Anlage als zu störanftllig erachtete.
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Aufgabe der Erfindung ist es nun, zur weiteren Steigerung des thermischen
Wirkungsgrades eine ausführbare Dampfkraftanlage mit drei-oder mehrfacher Zwischenüberhitzung
vorzuschlagen, welche gemäß Stammanmeldung zwecks Erreichung einer hohen Speisewasservorwärmendtemperatur
auch mit einem Rekuperator zwischen letztem Mitteldruck-Turbinengehäuse und dem(n)
Niederdruck-Turbinengehäuse(n) ausgerüstet ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Dampfkraftanlage mit einem oder
mehreren Dampferzeugern, einem oder mehreren Dampfturbinensätzen, Hochdrucküberhitzung,
drei oder mehreren Zwischenüberhitzungen des Arbeitsdampfes, Kondensation des Abdampfes
bei Vakuum und Speisewasserentnahmevorwärmung vorgeschlagen, die erfindungsgemäß
dadurch gekennzeichnet ist, daß ein oder mehrere turbinenseitige Zwischenüberhitzer
für
den Arbeitsdampf neben dem Dampfturbosatz bzw. den Dampfturbosätzen angeordnet und
derselbe bzw. dieselben während des Betriebes von einem zirkulierenden Wärmeträger
beheizt ist bzw.
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sind, wobei der Wärmeträger von einem oder mehreren Umwälzaggregaten
zwischen dem(n) turbinenseitigen Oberhitzer(n) des Arbeitsdampfes und der wärmeaufnehmenden
Heizfläche des Dampferzeugers bzw. den wärmeaufnehmenden Heizflächen der Dampferzeuger
im Kreislauf umgewälzt wird, und daß zwischen dem letzten Mitteldruck-TurbinengehAuse
und dem(n) Niederdruck-Turbinengehäuse(n) ein oder mehrere Rekuperatoren angeordnet
ist bzw. sind, in dem bzw. in denen während des Betriebes der teilentspannte Arbeitsdampf
enthitzt wird und der bzw. die von Speisewasser als wärmeaufnehmenden Medium durchströmt
ist bzw. sind.
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Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß die drei- bzw. mehrfache
Zwischenüberhitzung mit einem geringen Aufwand zu realisieren ist und auch eine
übermäßige Störanfälligkeit einer solchen Dampfkraftanlage vermieden wird. Auch
erlaubt eine solche Ausführung durch weitere Steigerung der rekuperativen Speisewasservorwärmung
1 eine weitgehende "Carnotisierung" des thermodynamischen Prozesses (CarnotisNerung
= Zufuhr der äußeres Wärme bei konstanter, hoher Temperatur),'was bei Dampfüberhi.tzungstemperaturen
zwischen 540 und 700 OC - thermische Wirkungsgrade zwischen 0,5 und 0,66 erreichen
läßt. (Bisheriger höchster Wirkungsgrad einer Dampfkraftanlage 44 - 46 %).
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Dabei sind wenigstens zwei, vorzugsweise aber alle turbinenseitigen
Zwischenüberhitzer des Arbeitsdampfes während des Betriebes vom zirkulierenden Wärmeträger
parallel durchströmt.
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Besitzt die Anlage eine oder mehrere Reihen von turbinenseitigen Zwischenüberhitzern,
so sind die turbinenseitigen Zwischenüberhitzer jeder Reihe und die arbeitsdampfseitig
zwischen ihnen angeordneten Turbinengehäuse während des Betriebes vom Arbeitsdampf
hintereinander durchströmt.
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Der zirkulierende Wärmeträger, der die Aufheizung des Arbeitsdampfes
in den turbinenseitigen Zwischenüberhitzern bewirkt, kann dabei ein Dampf (vorzugsweise
Wasserdampf) oder ein Gas bzw. Gasgemisch sein.
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Der zirkulierende Wärmeträger kann auch eine Flüssigkeit, insbesondere
auch eine Metallschmelze (z. B. flüssiges Natrium) sein.
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Das Umwälzaggregat bzw. die Umwälzaggregate für den zirkulierenden
Wärmeträger können als Dampfumwälzgebläse oder in an sich bekannter Weise als Gasumwälzgebläse
oder als Flüssigmetall-Umwälzpumpen ausgebildet sein.
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Wird als zirkulierender Wärmeträger Dampf (vorzugsweise Wasserdampf)
verwendet, so kann dieser in einem oder mehreren dampferzeugerseitigen Zwischenüberhitzern
aufgeheizt werden, oder aber kann die Aufheizung des zirkulierenden Wärmeträgers
(Dampf, vorzugsweise Wasserdampf) in einem oder mehreren Parallelüberhitzern erfolgen,
der bzw. die vorzugsweise im Dampferzeuger angeordqet ist bzw. sind und jnit.dem
HocFdrucksystem des Dampferzeugers bzw. mit der Frischdampfleitung über wenigstens
eine Verbindungsleitung in Verbindung steht. \ .> :I I Da Dampfturbosätze mit
mehr als fünf Gehäusen bisher aus schwingungstechnischen Gründen nicht ausgeführt
worden sind, wird zur Erreichung einer größeren Zahl von arbeitsdampfseitigen Zwischenüberhitzungen
-zwecks einer weitgehenden OCarnotisierung" des thermodynamischen Prozesses - erfindungsmäßig
eine Anlage mit zwei Dampfturbosätzen vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet
ist, daß zwischen allen Gehäusen des ersten Dampfturbosatzes Zwischenüberhitzer
für den Arbeitsdampf angeordnet sind und die vom Arbeitsdampf parallel durchströmten
Niederdruckgehäuse dem zweiten Dampfturbosatz zugeordnet sind.
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Bei der hohen rekuperativen Aufwärmung des Speisewassers würde es
im Falle des Turbinenschnellschlusses zu einer plötzlichen großen Absenkung der
Speisewassertemperatur am Eintritt des Dampferzeugers und in weiterer Folge zu Temperaturstürzen
im Dampferzeuger kommen.
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Zur Vermeidung derselben wird erfindungsgemäß in der Speise leitung
vor deren Eintritt in den Dampferzeuger wenigstens ein Wärmespeicher oder wenigstens
ein dampfbeheiztes Gerät zur Aufheizung des Speisewassers im Falle des Turbinenschnellschlusses
angeordnet.
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Der Rekuperator bzw. die Rekuperatoren zur Enthitzung des teilentspannten
Arbeitsdampfes und zur zusätzlichen Aufwärmung des Speisewassers ist bzw. sind durch
folgende weitere technischen Merkmale gekennzeichent: Während des Nennlastbetriebes
beträgt der Dampfdruck im bzw. in den Rekuperator(en) zwischen 3 und 20 bar, vorzugsweise
aber etwa 5 - 10 bar.
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Um bei Turbinenschnellschluß eine unzulässig hohe Überdrehzahl zu
vermeiden, ist dampfseitig hinter dem bzw. den Rekuperator(en) wenigstens'ein Schnellschlußorgan
angeordnet.
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. s fi Zur Erreichung' einer möglichst hohen Speisewasservorwärmtemperatur
ist' bzw. sind der bzw. die Rekuperator(en) speisewasserseitig parallel zu wenigstens
einem, vorzugsweise aber zu allen entnahreseitigen Dampfenthitzern geschaltet.
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Zur Erreichung einer hohen Speisewasservorwärmendtemperatur ist weiters
der Rekuperator bzw. sind die Rekuperatoren speisewasserseitig den Hochdruckvorwärmern
- wenigstens teilweise - nachgeschaltet.
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Dabei beträgt im Betrieb bei Nennlast die Speisewasservorwärmendtemperatur
(= Speisewassereintrittstemperatur in den Dampferzeuger) wenigstens 330 OC, vorzugsweise
liegt sie aber nahe unter oder über der kritischen Temperatur des Wassers von 374
OC.
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Die Dampftemperatur am Austritt des Rekuperators bzw. der Rekupera
toren beträgt bei Nennlast 250 - 500 OC.
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Wird durch die rekuperative Speisewasservorwärmung die kritische Temperatur
des Wassers von 374 OC erreicht bzw. überschritten (d. h. das Speisewasser wird
auf rekuperativem Wege zur Verdampfung gebracht), dann wirkt bzw. wirken nach einem
weiteren Merkmal der Erfindung der Dampferzeuger bzw. die Dampferzeuger bei Nennlast
nur noch als Hochdrucküberhitzer.
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Dies bedingt, daß die Vorwärmtemperatur der Verbrennungsluft des Dampferzeugers
bzw. der Dampferzeuger wenigstens 350 OC, vorzugsweise aber ca. 400 OC betragen
muß.
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Anstelle von Wasser kann für die vorgeschlagene neue Dampfkraftanlage
in an sich bekannter Weise auch ein (chemisch) anderer Stoff als Arbeitsmedium verwendet
werden.
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In den Zeichnungen sind drei Ausführungsformen der neuen Dampfkraftanlage
als Schaltschemata und vier Temperatur-Entropie-Diagramme für Wasserdampf dargestellt.
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Es zeigt: Fig. 1 das Schaltschema der ersten Ausführungsform (Dampf
als zirkulierender Wärmeträger; Aufheizung desselben im dampferzeugerseitigem Zwischenüberhitzer).
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Fig. 2 das Schaltschema der zweiten Ausführungsform (Dampf als zirkulierender
Wärmeträger; Aufheizung desselben in einem Hochdruck-Parallelüberhitzer des Dampferzeugers).
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Fig. 3 das Schaltschema der dritten Ausführungsform (Metallschmelze
als zirkulierender Wärmeträger, Aufheizung derselben in einem gesonderten, rauchgasbeheizten
Wärmetauscher).
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Fig. 4 zeigt das Temperatur-Entropie-Diagramm einer konventionellen
Dampfkraftanlage mit zweifacher Zwischenüberhitzung.
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Fig. 5 zeigt das Temperatur-Entropie-Diagramm einer Dampfkraftanlage
gemäß Schaltschema Fig. 1, mit einem ersten, rauchgasibeheizten Zwischenüberhitzer
und zwei weiteren, turbinenseitigen Zwischenüberhitzern.
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Fig. 6 zeigt das Temperatur-Entropie-Diagramm einer Dampfkraftanlage
gemäß Schaltschema Fig. 3, mit fünf Zwischenüberhitzungen auf 520 OC.
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Fig. 7 zeigt das Temperatur-Entropie-Diagramm einer Dampfkraftanlage
gemäß Schaltschema Fig. 3, mit fünf Zwischenüberhitzungen auf 700 OC.
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Bei der ersten Ausführungsform der neuen Dampfkraftanlage gemäß Schaltung
nach Fig. 1 strömt der Arbeitsdampf aus dem Dampferzeuger 1 über den Hochdrucküberhitzer
2 und die Frischdampfleitung 3 zum Hochdruck-Turbinengehäuse 4a des Dampfturbosatzes
4.
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Nach einer Teilentspannung des Arbeitsdampfes im Hochdruck-Turbinengehäuse
4a strömt der Arbeitsdampf von diesem über die "kalte" Zwischendampfleitung 5 zu
dem im Dampferzeuger 1 angeordneten rauchgasbeheizten Zwischenüberhitzer 6 und dann
von diesem über die "heiße" Zwischendampfleitung 7 zum ersten Mitteldruck-Turbinengehäuse
4b des Dampfturbosatzes 4.
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Zwischen dem ersten Mitteldruck-Turbinengehäuse 4b und dem zweiten
Mitteldruck-Turbinengehäuse 4c ist der turbinenseitige Zwischenüberhitzer 8 und
zwischen dem zweiten Mitteldruck-Turbinengehäuse 4c und dem dritten Mitteldruck-Turbinengehäuse
4d ist der turbinenseitige Zwischenüberhitzer 8a angeordnet, die während des Betriebes
vom Arbeitsdampf als wärmeaufnehmendem Medium durckstrdmt werden.
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s :I 1' s Die Beheizung des Arbeitsdampfes in den turbinenseitigen
Zwischenüberhitzern 8 und 8a 'erfolgt dabei urch Zwischendampf der ersten Stufe
als ziFkulierendem Wärmeträger, der im rauchgasbeheizten Zwischenüberhitzer 6 aufgeheizt
und über die Leitungen 7a ind 5a sowie aber die Dampfumwälzgebläse 9 im Kreislauf
umgewälzt wird.
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Vom dritten Mitteldruck-Turbinengeäuse 4d strömt der Arbeitsdampf
über den Rekuperator 10 in das Niederdruck-Turbinengehäuse 4g und von diesem in
den Kondensator 11, wo er sich niederschlägt. Im Rekuperator 10 wird der Arbeitsdampf
teilweise enthitzt, wobei er seine Überhitzungswärme an Speisewasser abgibt.
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Die Dampfturbine 4 treibt den elektrischen Generator 4*.
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Vom Kondensator 11 gelangt das Kondensat über die Kondensatpumpe 12
und die Kondensatleitung 13 sowie die Niederdruck-Entnahmevorwärmer 14a, 14b, 14c
in den Speisewasserbehälter 15.
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Die Speisewasserpumpen 16 fördern das Speisewasser aus dem Speisewasserbehälter
15 über die Speisewasserleitung 17 und die Hochdruck-Entnahmevorwärmer 18a, 18b,
18c, 18d sowie die Enthitzer 19a, 19b, 19c und 19d und den Rekuperator 10 in den
Dampferzeuger 1.
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Der Rekuperator 10 ist speisewasserseitig den Hochdruckvorwärmern
18a, 18b, 18c und 18d nachgeschaltet und zu den Enthitzern 19a, 19b, 19c und 19d
parallel geschaltet. Hinter dem Rekuperator 10 ist arbeitsdampfseitig ein Schnellschlußventil
20 als Schutz gegen unzulässige Überdrehzahl des Turbosatzes 4 angeordnet.
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Die Niederdruck-Entnahmevorwärmer 14a, 14b, 14c und der Speisewasserbehälter
15 werden über die Entnahmeleitungen 21a, 21b, 21c und 21d von der Dampfturbine
4 her mit Dampf angespeist.
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Die Hochdruck-Entnahmevorwärmer 18a, 18b, 18c, 18d und die Enthitzer
19a, 19b, 19c, 19d werden über die Entnahmeleitungen 22a, 22b, 22c, 22d von der
Dampfturbine 4 her mit Dampf angespeist.
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Vor den Dampferzeuger 1 ist in der Speiseleitung 17 noch ein Wärmespeicher
2? mit Bypaßeitung 17a angeordnet. Der Wärmespeicher 23 ist mit einer wärmeaufnehmenden
Masse gefüllt und verhindert im Falle des Turbinenschnellschlusses das plötzliche
Absinken' der Speisewassertemperatur am Eintritt des Dampferzeugers. (Schutz des
Dampferzeugers 1 vor Temperaturstürzen).
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Bei der zweiten Ausführungsform der neuen Dampfkraftanlage gemäß Schaltung
nach Fig. 2 sind an der Dampf turbine 4 zwischen dem Hochdruck-Turbinengehäuse 4a
und dem ersten, zweiten und dritten Mitteldruck-Turbinengehäuse 4b, 4c und 4d die
turbinenseitigen Zwischenüberhitzer 8, 8a, 8b für den Arbeitsdampf angeordnet.
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Die Beheizung des Arbeitsdampfes in den Zwischenüberhitzern 8, 8a,
8b erfolgt durch einen gesonderten Dampfstrom als zirkulierenden Wärmeträger, der
in dem aus dem rauchgasbeheizten Parallelüberhitzer
24, den beiden
Dampfumwälzgebläsen 9 sowie den Verbindungsleitungen 5b und 7b bestehenden Kreislauf
umgewälzt wird. (Die Zwischenüberhitzer 8, 8a, 8b sind vom Wärmeträger parallel
durchströmt.) Dieser Kreislauf steht mit der Frischdampfleitung 3 (oder gegebenenfalls
mit dem Dampferzeuger 1) über die Verbindungsleitung 3a in Verbindung und kann von
dort her mit Dampf gefüllt werden. Der Dampfdruck in diesem Kreislauf stimmt mit
dem Dampfdruck des Dampferzeugers 1 oder der Frischdampfleitung 3 überein oder ungefähr
überein. Durch den hohen Dampfdruck im Parallelüberhitzer 24 wird die Antriebsleistung
der Dampfumwälzgebläse 9 verringert.
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Die übrigen Komponenten dieser Dampfkraftanlage stimmen mit jenen
der Dampfkraftanlage gemäß Fig. 1 überein.
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Bei der dritten Ausführungsform der neuen Dampfkraftanlage gemäß Schaltung'nach
Fig. 3 sind zwei Dampfturbosätze 4 und 4' vorgesehen,.
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die vom Arbeits'dampf 'hinitereinander durchströmt werden. Der erste
Dampfturbosatz 4 besteht aus dem.Hochdruck-Turbinengehäuse 4a sowie dem ersten,
zweiten, dritten und vierten Mitteldruk-Turbinengehäusen 4b,'4c, d und 4e sowie
dem Generator 4*. Derlzweite Dampfturbosatz 4' besteht aus dem fünften Mitteldruck-Turbinengehäuse
4'f sowie den drei vom Arbeitsdampf parallel durchströmten Niederdruck-Turbinengehäusen
4'g, 4'h, 4'j und dem Generator 4'*.
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Es sind fünf turbinenseitige Zwischenüberhitzer 8, 8a, 8b, 8c, 8d
für die Zwischenüberhitzung des Arbeitsdampfes angeordnet.
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Die Beheizung des Arbeitsdampfes in den Zwischenüberhitzern 8, 8a,
8b, 8c, 8d erfolgt durch einen gesonderten Flüssigmetallstrom (z. B.
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Natriumstrom) als zirkulierenden Wärmeträger, der in dem rauchgasbeheizten
Wärmetauscher 25, den beiden Flüssigmetall-Umwälzpumpen 26 und den Verbindungsleitungen
5c und 7c umgewälzt wird.
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Die Zwischenüberhitzer 8, 8a, 8b, 8c, 8d sind vom zirkulierenden Wärmeträger
wieder parallel durchströmt.
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Zwischen dem fünften Mitteldruck-Turbinengehäuse 4'f und den drei
Niederdruck-Turbinengehäusen 4'g, 4'h, 4'j ist arbeitsdampfseitig wieder ein Rekuperator
10 für die teilweise Enthitzung des Arbeitsdampfes angeordnet, der während des Betriebes
von Speisewasser durchströmt ist.
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Hinter dem Rekuperator 10 befindet sich arbeitsdampfseitig vor jedem
Niederdruck-Turbinengehäuse 4'g; 4'h, 4'j ein Schnellschlußventil 20 (als Schutz
gegen unzulässige Überdrehzahl des zweiten Dampfturbosatzes 4').
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In der Speiseleitung 17 ist vor dem Dampferzeuger 1 ein dampfbeheiztes
Gerät 27 angeordnet, das über die Leitung 3a mit der Frischdampfleitung 3 in Verbindung
steht und das im Schnellschlußfall der Turbosätze 4, 4' ein zu rasches Absinken
der Speisewassereintrittstemperatur in den Dampferzeiger 1 verhindert.
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Die übrigen Komponenten in Fig. 3 stimmen mit den eomponenten in Fig.
1 wnd Fig.:t2 dann üb'er'e'in, wenn die Positionsnummern dieselben sind.
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J f Fig. 4 zeigt das Temperatur-Entropie-Diagramm einer konventionellen,
ausgeführten Dampfkraftanlage mit zweifacher Zwischenüberhitzung.
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(Der Dampferzeuger dieser Anlage besitzt zwei rauchgasbeheizte Zwischenüberhitzer).
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Zum Vergleich zeigt Fig. 5 das Temperatur-Entropie-Diagramm einer
neuen Dampfkraftanlage mit dreifacher Zwischenüberhitzung gemäß Fig. 1. Durch die
rekuperative Speisewasservorwärmung auf 350 OC ist die mittlere Temperatur tm2 der
äußeren Wärmezufuhr höher als in Fig. 4. Dies bringt die angestrebte Steigerung
des thermischen Wirkungsgrades.
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Fig. 6 zeigt das Temperatur-Entropie-Diagramm einer Dampfkraftanlage
mit fünf Zwischenüberhitzungen auf je 520 OC. Es ergibt sich bereits eine weitgehende
Annäherung an die Carnotisierung" des thermodynamischen Prozesses. Die Speisewasservorwärmendtemperatur
ist 370 OC.
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Fig. 7 zeigt das Temperatur-Entropie-Diagramm einer Dampfkraftanlage
mit fünf Zwischenüberhitzungen auf 700 OC. Hier ist eine Speisewasservorwärmendtemperatur
von ca. 440 OC erreichbar. Der thermische Wirkungsgrad beträgt (bei Berücksichtigung
der Wärmeverluste im Dampferzeuger) etwa 62 %.
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Bei einer solchen Dampfkraftanlage muß die Vorwärmtemperatur der Verbrennungsluft
des Dampferzeugers wenigstens ca. 450 Cc betragen.