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Oberflächenkondensationsanlage mit Querstromkühler an Dampffahrzeugen.
Die Bestrebungen, bei Dampffahrzeugen -insbesondere Lokomotiven - den Dampfverbrauch,
d. h. den Kohlenverbrauch für die Leistungseinheit durch eine Kondensationsanlage
herabzusetzen, sind bisher ausnahmslos an der Schwierigkeit gescheitert, das für
die Kondensation benötigte Kühlwasser so weit zurückzukühlen, als für eine wirksame
Kondensation erforderlich ist und das Kühlwasser in richtiger Schaltung durch den
Oberflächenkondensator zu leiten, ohne daß zuviel Raum, Gewicht und Kraftaufwand
für diese ganze Einrichtung erforderlich ist. Eine nach vorliegender Erfindung ausgebaute
Anlage ermöglicht die Erreichung des gesetzten Zieles.
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Darnach wird das Kühlwasser im Gewicht von wenigstens 30 kg/sek.
bezogen auf ein Quadratmeter Eintrittsquerschnitt der Kühlzone des Querstromkühlers
im einfachen Kreislauf durch den Oberflächenkondensator und den Querstromkühler
hindurchgeführt. Diese verhältnismäßig große spezifische Wassermenge wird aus folgender
Überlegung gewählt Um eine möglichst günstige Kühlleistung zu erzielen, ist es nicht
nur notwendig, die Luftmenge durch den Kühlkanal möglichst groß zu machen, sondern
es muß auch angestrebt werden, die Wärmemenge, welche = kg Luft aufzunehmen vermag,
möglichst groß zu machen.
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Die Aufnahmefähigkeit von x kg Luft kann nun mit Hilfe des Wärmediagrammes
(Abb. x) beurteilt werden, in welchem als Abszisse die Temperatur, als Ordinate
die Wärmemenge (Kal.) aufgetragen ist, die x kg Luft bei den Sättigungsgraden (in
Prozent) enthält, welche durch die verschiedenen von links unten nach rechts oben
ansteigenden Kurven dargestellt und mit den zugehörigen Sättigungsziffern in Prozent
beschrieben sind. Der Anfangszustand der in den Kühler eintretenden Luft sei in
diesem Diagramm beispielsweise durch den Punkt A gegeben, entsprechend einer Temperatur
der Luft von 15' und einer Sättigung der Luft von 70 Prozent. Für diesen
Punkt beträgt der Wärmeinhalt der Luft 8 KaL/kg. Die Luft wird möglichst viel Wärme
aufgenommen haben, wenn der Punkt B, welcher dem Zustand der Luft beim Verlassen
des Kühlkanales entspricht, möglichst nahe der Sättigungslinie von roo Prozent liegt
und außerdem einer möglichst großen Temperatur zugehört.
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Wenn davon ausgegangen wird, daß die Oberflächenkondensationsanlage
ein Vakuum von 85 Prozent erzeugen soll, so wird das vom Kondensator abfließende
warme Wasser eine Temperatur von ungefähr 5o' haben. Bei normalen Oberflächenkondensationsanlagen
wird in der Regel angenommen, daß die durch den Kondensator fließende Kühlwassermenge
das 6o fache des zu kondensierenden Dampfgewichtes beträgt. Da pro Kilogramm zu
kondensierenden Dampfes rund Sao Kal, durch das Kühlwasser aufgenommen werden müssen,
so wird die Temperatur des in den Kondensator eintretenden Wassers 540: 6o - g °
C niedriger sein müssen als die Temperatur des abfließenden Wassers, also 50 - g
- 410- Ein Temperaturunterschied von g ° kann aber in einem Querstromrieselkühler,
der auf einem Fahrzeug untergebracht ist, nicht erzielt werden, da die Fallhöhe
viel zu gering ist. Bei den beschränkten Raumverhältnissen gelingt erfahrungsgemäß
bei -einmaligem Durchgang des Wassers durch den Kühler nur eine Herabkühlung um
etwa 4,5° C. Bei Verwendung des üblichen Verhältnisses zwischen Kühlwassergewicht
und Dampfgewicht muß also eine besondere Anordnung getroffen werden, daß die ganze
Abkühlung um g ° erreicht wird.
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Das kann entweder in der Weise erfolgen, daß jedes Wasserteilchen
mehrmals hintereinander durch den Kühlkanal des Querstromrieselkühlers hindurch
fallen gelassen wird, oder daß die vom Oberflächenkondensator kommende Wassermenge
vor dem Durchfallen durch den Kühlkanal mit einer mindestens ebenso großen Umlaufwassermenge
gemischt wird, worauf die Mischwassermenge, welche also mindestens doppelt so groß
ist wie die Kühlwassermenge des Oberflächenkondensators, ein einziges Mal durch
den Kühlkanal hindurch
fallen gelassen wird, nach welchem Vorgang
die gekühlte Mischwassermenge wieder in die den Oberflächenkondensator durchströmende
Kühlwassermenge und die Umlaufwassermenge getrennt wird, welch letztere nur am Querstromkühler
- einen Umlauf vollführt.
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Diese beiden Rückkühlverfahren haben Nachteile: Das erste, die baulich
verwickelte Wasserführung und Wasserverteilung und die mehrfachen Pumpen; das zweite
macht ebenfalls eine zweite Pumpe notwendig und ist überdies in der Kühlwirkung
nicht sehr günstig, weil durch das Mischen des Kondensationskühlwassers und des
Umlaufwassers die mittlere Temperaturdifferenz gegenüber der Kühlluft verkleinert
wird. Es gelingt nun auch eine Abkühlung des Wassers, um die erforderlichen g° zu
erreichen, wenn gemäß vorliegender Erfindung eine so große Menge Kühlwasser durch
die Kondensationsanlage hindurchgeleitet wird, daß der Temperaturunterschied des
Wassers beim Eintritt und Austritt aus dem Kondensator nicht größer ist als der
Temperaturunterschied des Kühlwassers beim einmaligen Durchströmen durch die Kühlzone,
also q.,5°. Das Wassergewicht muß in diesem Falle mindestens das i2o fache des Dampfgewichtes
betragen. In diesem Falle ergibt sich eine mittlere Temperatur des Wassers in der
Kühlzone von
Nimmt man zwischen der mittleren Wassertemperatur in der Kühlzone und der mittleren
Lufttemperatur der eintretenden Luft einen Unterschied von etwa ro° an, so beträgt
die mittlere Temperatur der Luft in diesem Falle 37,5°. Der entsprechende Punkt
für den Zustand der Luft beim Austritt aus dem Kühler ist im Wärmediagramm der Abb.
i mit B bezeichnet. Ihm entspricht ein Wärmeinhalt von 30 Kal./kg. Es kann
also in diesem Falle pro Kilogramm durch die Kühlzone hindurchgehender Luft eine
Wärmemenge von 30 - 8 - 22 Kal. abgekühlt werden.
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Nimmt man nun an, daß die Geschwindigkeit der Luft beim Eintritt in
die Kühlzone 5 m/sek. und das spezifische- Volumen der Luft o,86 Kal./kg beträgt,
so strömt durch jeden qm des Eintrittsquerschnittes der Kühlzone ein Luftgewicht
von 5 : o,86 = 5,82 kg/sek.
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Diese 5,82 kg Luft werden also insgesamt 5,82-2-- = 127 Kal./sek.
aufnehmen. Das auf i qm Querschnitt der Kühlzone bezogene Luftgewicht vermag also
eine Kühlwassermenge von 127: 4,5 = 28,4 oder rund 30 kg/sek. um q.,5° abzukühlen.
Dieses verhältnismäßig große Kühlwassergewicht muß vorhanden sein, um bei einem
einfachen Umlauf durch den Kondensator und den Kühler die beabsichtigte große Kühlwirkung
zu erreichen.
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Die Zeichnung zeigt in Abb. 2 in schematischer Weise ein Ausführungsbeispiel
des Erfindungsgegenstandes. Unter dem Vorderteil des Dampfkessels i ist ein Oberflächenkondensator
2 angeordnet. Diesem strömt aus dem Dampfzylinder 3 durch das Rohr q. verarbeiteter
Dampf zu. Das Kondensat wird vermittels des Rohres 5 von einer nicht eingezeichneten
Kondensatpumpe abgesaugt. Hinter der Lokomotive x ist ein Tender 6 angehängt, auf
dem die Rückkühleinrichtung untergebracht ist. Der Tender enthält einen kleinen
Wasserbehälter 7. . Daraus saugt mittels eines Rohres 8 eine von einer Hilfsturbine
9 angetriebene Pumpe io Kühlwasser im Gewicht von wenigstens 3o kg/sek., bezogen
auf i qm Eintrittsquerschnitt der Kühlzone der als Querstromkühler ausgebildeten
Rückkühleinrichtung, an und drückt es durch das Rohr ii dem Oberflächenkondensator
2 zu. Das Wasser durchströmt im einfachen Kreislauf den Kondensator und nimmt dabei
die abzuführende Wärmemenge auf und fließt durch das Rohr 12 zu der ebenfalls von
der Hilfsturbine 9 angetriebenen Pumpe 13, die es durch das Rohr 1q. in -einen Behälter
15 fördert. Der Behälter 15 bildet die Oberseite der Kühlzone bzw. eines
Kühlkanales, durch den das Wasser in feiner Verteilung hindurchfällt, wobei es den
durch die Bewegung des Fahrzeuges erzeugten Luftstrom einmal kreuzt. Die Luft tritt
bei 16 in den Kanal ein und bei 17 wieder aus. Das Wasser sammelt sich im untersten
Teil dieses Kanales und strömt alsdann in den Behälter 7, aus. dem es unter Einwirkung
der Pumpe io den Kreislauf von neuem beginnt.