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Verfahren zur Ausnutzung von aufgespeicherter Wärme bei der Unterwasserfahrt
von Tauchbooten mit einer Dampfkraftanlage. Es ist bekannt, Tauchboote mit einer
Einheitsdampfkraftanlage auszurüsten, die aus einer Dampfkraftmaschine, einem Dampferzeuger
und einem Wärmespeicher besteht. Die Tauchboote können mittels einer solchen Anlage
sowohl über als unter Wasser mit Dampf betrieben werden Zu praktisch brauchbaren
Ergebnissen haben diese Vorschläge bisher nicht geführt. Der Wärmespeioh:er kann
nur eine beschränkte =Größe erhalten,
und der durch ihn erzeugte
Dampf arbeitet bei den für die Unterwasserfahrt in Betracht kommenden kleinen Leistungen,
die etwa I Prozent und weniger der größten Überwasserleistung betragen, mit zu geringem
Wirkungsgrad. Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, den mittels des Wärmespeichers
für die Unterwasserfahrt erzeugten Frischdampf zu überhitzen, um die Wirtschaftlichkeit
des Unterwasserbetriebs zu erhöhen. Aber auch hierdurch wird nicht viel gebessert.
Heizt man nämlich den Wärmespeicher, wie es am einfachsten und besten ist, mit Dampf
auf, so beträgt die Temperatur der zur Abgabe der Überhitzungswärme bestimmten Speichermasse
im günstigsten Fall, d. h. wenn man überhitzten Dampf zum Aufheizen benutzt, 35°
bis 4o0°. Will man den Speicher nicht unzweckmäßig groß machen, so wird die mittlere
Überhitzungstemperatur 30o° nicht überschreiten können. Entladedampf von Io Atm.
Spannung kann also eine Überhitzung von I20° erhalten. Eine solche Überhitzung des
Frischdampfes ist für Kolbendampfmaschinen mit großem Expansionsgrad und kleinen
Füllungen, wie sie für den Unterwasserbetrieb von Tauchbooten notwendig sind, naturgemäß
völlig unzureichend. Sie wird bereits in der Hochdruckstufe aufgezehrt.
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Die Erfindung bezweckt nun, die Ausnutzung der aufgespeicherten Wärme
bei der Unterwasserfahrt von Tauchbooten so zu verbessern, daß der Dampfbetrieb
bei Unterwasserfahrt mit dem elektrischen Unterwasserantrieb bei gleicher Leistung
in bezug auf Raumbedarf und Gewicht erfolgreich in Wettbewerb treten kann.
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Dieses Ziel wird dadurch erreicht, daß die für die Überhitzung bestimmte
Wärme ganz oder zum größten Teil zur Überhitzung von Zwischendampf verwendet wird.
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Für die Hochdruckstufe mit ihren kleinen schädlichen Flächen ist eine
ausreichende Überhitzung nicht so wichtig. Viel wichtiger ist es, daß der Arbeitsdampf
in den unteren Stufen und besonders in der letzten Stufe ohne Niederschläge verarbeitet
wird; denn das theoretische Arbeitsvermögen des Dampfes ist in den unteren Stufen
weit größer als in den oberen Stufen, vorausgesetzt, daß der Expansionsgrad in ihnen
genügend groß ist. Läßt man beispielsweise in der oberen Stufe den Dampf von 2o
Atm. auf 2 Atm. expandieren und benutzt eine Luftleere von 95 bis 98 Prozent im
Kondensator, die sich bei der Unterwasserfahrt von Tauchbooten wegen der niedrigen
Temperatur des tiefen Wassers mit Leichtigkeit erreichen läßt, so ist der Expansionsgrad
für die zwischen 2o und 2 Atm. liegende Dampfarbeit ein Iofacher, für die unter
2 Atm. liegende Dampfarbeit dagegen ein 40facher und mehr.
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Eine ausreichende Überhitzung des Zwischendampfes ist aber bei den
für Tauchboote maßgebenden Verhältnissen möglich. Nach vielfachen Studien und Versuchen
des Anmellders ist für eine niederschlagsfreie Expansion des Dampfes in Kolbenmaschinen
ein gewisser im Verhältnis zu dem zu verarbeitenden Sattdampftemperaturgefälle stehender
Überhitzungsgrad notwendig, und zwar muß die über der Sättigungstemperatur des eintretenden
Arbeitsdampfes liegende Überhitzung je nach der Füllung etwa das zwei- bis dreifache
des zu verarbeitenden Sattdampftemperaturgefälles betragen. Nimmt man die erreichbare
Überhitzungstemperatur zu 300° an, und hat der zu überhitzende Zwischendampf eine
Spannung von 2 Atm. entsprechend einer Sattdampftemperatur von I20°, so ist bei
95 Prozent Luftleere das zu verarbeitende Sattdampftemperaturgefälle I20°-32° =88°
und die über der Sattdampftemperatur des eintretenden Dampfes liegende Überhitzung
300'-120'==I80'. Sie ist mithin
so groß wie das Sattdampftemperattirgefälle. Durch entsprechende Wahl des Füll'un:gsgrades
und der Stufenzahl läßt sich auf diese Weise eine Verarbeitung des Zwischendampfes
ohne Wandniederschläge erzielen.
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Die beste Ausnutzung ;der aufgespeicherten Wärme, besonders aber der
für Überhitzungszwecke bestimmten, wird erreicht, wenn man eine mehr als zweistufige
Kolbenmaschine benutzt und neben der an sich für ,diesen Zweck bereits vorgeschlagenen
Frischdampfüberhitzung den Zwischendampf mehrfach überhitzt. Dadurch wird es möglich,
selbst in der letzten Stufe, in welcher das theoretische Arbeitsvermögen des Dampfes
am größten ist, zugleich aber auch .die schädlichen Flächen sehr groß sind, die
große Vakuumarbeit des Dampfes mit gutem Wirkungsgrad auszunutzen.
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Durch die mehrfache Überhitzung kann man außerdem Wandniederschläge
in den unteren Stufen schon vermeiden, wenn die Temperatur des Überhitzungsmittels
noch unter 300° liegt, was der Fall sein kann, wenn für die Überhitzung nur heißes
Wasser von hohem Druck bzw. .daraus entstehender Dampf zur Verfügung steht. Einem
Druck von 6o Atm. entspricht z. B. eine Temperatur von etwa 275 ° .
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Werden an Stelle der Kolbenmaschine für die kleine Unterwasserleistung
besonders durchgebildete M arschdampfturbinen zum Antrieb der Tauchboote oder Tauchkreuzer
benutzt, so ist zwar .der Einfiuß der reichliehen
Überhitzungswärme
für den niedrig gespannten Zwischendampf nacht mehr so groß wie bei den sehr langsam
laufenden, mit der Schraubenwelle gekuppelten Kolbendampfmaschinen, jedoch sind
die sich hierbei ergebenden Vorteile durch Verbesserung der Strömungsverhältnisse
des wasserfreien Dampfes, Verminderung der Undichtheits-, Radreibungsverluste usw.
noch von so großem Wert, daß eine solche Anlage gegenüber den bisherigen aus zwei
verschiedenen Kraftmaschinen bestehenden gemischten Anlagen durchaus wettbewerbsfähig
ist, besonders wenn man ihr geringes Gewicht berücksichtigt; denn gerade für Tauchbootskraftanlagen
kommt es auf jedes Kilogramm Gewichtsersparnis beidem an und für sich sehr schweren
Schiffskörper an.
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Die Einrichtungen zur Aufspeicherung der Wärme für die Unterwasserfahrt
können von beliebiger Art sein. Ebenso sind die Speicherstoffe beliebig, insbesondere
für die Überhitzungswärme. In Betracht kommen außer Wasser und schwersiedendem Öl
auch Eisen- oder andere M etallmassen. Naturgemäß wird man, um kleine und leichte
Speicher zu erhalten, Speicherstoffe wählen, die eine große spezifische Wärme besitzen
und ihnen eine hohe Temperatur geben.
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Besonders zweckmäßig ist es, als Speicherstoff Wasser von hohem Druck
(mindestens 3o Atm., am besten 5o bis 6o Atm.), zu verwenden. Bei so hohem Druck
reicht nämlich die Temperatur des Wassers aus, um dem Zwischendampf so vier Überhitzungswärme
zu geben, daß er niederschlagsfrei expandieren kann, wie dies weiter oben schon
angedeutet ist. Man hat dann den Vorteil, daß man mit einem einzigen Speicherstoff
den Arbeitsdampf sowohl erzeugen als auch überhitzen kann. Bei den bisher bekannt
gewordenen Wärmespeichern für überhitzten Dampf war zur Abgabe der Überhitzungswärme
stets ein besonderer Öl- und Metallspeichererforderlich, da die Temperatur des zur
Erzeugung des Dampfes bestimmten, niedrig gespannten Wassers zur Überhitzung nicht
ausreichte. Es ist klar, daß die Verwendung eines einzigen Speicherstoffes eine
große Vereinfachung bedeutet. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß man den Inhalt
des zur Überhitzung bestimmten Speicherteiles nach Abgabe der Überhitzungswärme
noch zur Abgabe von Arbeitsdampf heranziehen kann. Dieser Teil des Speichers bildet
also nicht wie ein Metallspeicher oder ein Ölspeicher, der lediglich als Überhitzungsspeicher
dient, eine tote Last. Er ist aber auch leichter als ein Ölspeicher, den man nach
Abgabe der Überhitzungswärme noch zur Beheizung der den Arbeitsdampf abzugebenden
Speicherteile verwendet, um deren Druck hochzuhalten. Denn es ist klar, daß man
selbst auf diese Weise die Öltemperatur nicht so tief ausnutzen kann, wie dies bei
Wasserspeichern möglich ist. Dazu kommt, daß diese Verwendung des Ölspeichers besondere
Umlaufpumpen und Rohrleitungen erfordert, daß sie die Zahl der Dichtungsstellen
vergrößert und die Bedienung erschwert.
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In beiliegender Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer nach dem
neuen Verfahren arbeitenden Einheitsdampfkraftanlage dargestellt.
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Abb. I zeigt einen Längsschnitt durch eine solche Anlage für ein Tauchboot
mit zwei Schraubenwellen in schematischer Darstellung. Abb. z bis 5 sind Schnitte
nach I-I bis 4-4 der Abb. I.
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A sind vierstufige, sechszyilindmige Kolbendampfmaschinen mit drei
Niederdruckzylindern, die mit den Schraubenwellen a direkt gekuppelt sind. B stellen
Niederdruckturbinen mit Kondensatoren C dar, die mit Zahnradvorblegen D und ausrückbaren
Reibungskupplungen E mit den Schrauhenwellen bei großer Leistung gekuppelt werden
können. F, F1 ist ein mit Ölfeuerung versehener und mit Frischdampfüberhitzern G
und Zwischendampfüberhitzern H ausgerüsteter, geteilter Doppelkessel für hohen Dampfdruck
von 6o Atm.
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Zur Wärmeaufspeicherung dienen die Heißwasserspeioherbehälter T1,
J2 J3, K1 und K2, deren Wasserinhalt durch hochgespannten, vom Dampfkessel bei Überwasserfahrt
erzeugten Dampf beispielsweise auf a75° aufgeheizt wird. Unter Wasser arbeiten die
Kolbendampfmaschinen A meistens ohne Niederdruckturbinen B. Die Kolbendampfmaschinen
geben also den Albdampf direkt an die Kondensatoren C. Dabei entnehmen sie den Arbeitsdampf
den Wärmespeichern; anfangs wird mit Vorteil die in dem Kessel und den Feuergasüberhitzern
aufgespeicherte Wärme als Überhitzungswärme benutzt. Ist die Kesselwärme erschöpft,
so wird der bei weiterer Unterwasserfahrt aus den Behältern I" I2, 1, durch
Leitungen b,., b" b3 entnommene Dampf, nachdem er z. B. auf io Atm. gedrosselt ist,
durch. die in ,den BehälteruK, und KZ liegenden iHeizschlangen Ml, M2 geführt. Dort
überhitzt er sich nach: Maßgabe der Heizmitteltemperatur und wird dann :durch Leitungen
c zu den Dampfmaschinen A geführt. Den Behältern K" und, K2 wird also ,zunächst
nur die Überhitzungswärme entzogen; erst nach Entladung der übrigen Speicherbehälter
wird auch. ihnen die Verdampfungsivärme entnommen. Da die für -den Frisch-dampf
erreichbare Überhitzung nur .gering äst, wind der größere Teil der
aufgespeicherten
Wärme für Zwischenüberhitzung verwendet, und zwar geschieht dies in der Weise, daß
die an den Maschinenbefindlichen Aufnehmer N1 und N2 als Zwischenüberhitzer für
die beiden unteren Stufen ausgebildet werden; sie erhalten z. B. Heizschlangen dl,
d2, die vom Speicherdampf beheizt werden, welcher den Behältern K1, K2 durch enge
Leitungen e entnommen wird. Die Aufstellung der Zwischenüberhitzer N1 N2 erfolgt
zweckmäßig so hoch, daß das bei der Zwischenüberhitzung entstehende Kondensat selbsttätig
durch Leitung f nach den Speicherbehältern zurückfließen kann. Bei kleiner Leistung
genügt das natürliche Gefälle zwischen den hochaufgestellten Zwischenüberhitzern
und den den Überhitzungsdampf abgebenden Behältern K1, K2 Bei größeren Leistungen
muß dagegen das Kondensat rin die den Betriebsdampf abgebenden Behälter, deren Druck
bereits etwas niedriger ist, überführt werden. Die sich dabei einstellende Druckdifferenz
ermöglicht eine stärkere Beheizung der Zwischenüberhitzer. Außerdem wird die in
dem Kondensat enthaltene Flüssigkeitswärme für die weitere Dampfentwicklung nutzbar
gemacht. Die die Überhitzungswärme abgebenden Behälter K1, K2, könnten auch mit
einer anderen hochsiedenden Flüssigkeit versehen sein. Die Zwischenüberhitzer würden
dann auch zweckmäßig durch hochsiedende Flüssigkeit beheizt werden, wozu allerdings
besondere Umpumpvorrichtungen notwendig wären, die bei der Dampfheizung nicht erforderlich
sind.
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L1, L2 L3 sind Speisewasserbehälter, in ,die bei Unterwasserfahrt
das Kondensat aus den Kondensatoren zur Vermeidung einer Änderung der Schwerlage
des Bootes geleitet wird.
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Das zur Ausnutzung der aufgespeicherten Wärme bei Unterwasserfahrt
verwendete Verfahren bietet auch bei Überwassermarschfahrt große Vorteile. Bei letzterer
läßt man im Gegensatz zur Unterwasserfahrt zum Erreichen der höchstmöglichen Wärmeausnutzung
den vom Kessel erzeugten hochgespannten Dampf ohne Drosselung in der Dampfkraftmaschine
arbeiten, denn in diesem Fall kann man ihm durch die zweimalige Feuergasüberhitzung
genügend Überhitzungswärme für die beiden oberen Stufen einer beispielsweisen vierstufigen
Maschine mitgeben.
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Für die unteren beiden Stufen bzw. unterste Stufe fehlt jedoch auch
hier bei hohem Frischdampfdruck von z. B. 6o Atm. und tiefgehender Expansion in
die Luftleere die zur Verhütung der Wandniederschläge erforderliche Überhitzungswärme,
so daß man die für die Unterwasserfahrt bestimmten Einrichtungen zur Zwischendampfüberhitzung
mit Vorteil auch bei Überwassermarschfahrt benutzt.
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Die Einrichtungen zur besten Ausnutzung der aufgespeicherten Wärme
für die Unterwasserfahrt verbessern den Brennstoffverbrauch der Dampfkraftmaschine
bei kleinen Ü berw,assermarschfahrten so bedeutend, daß dieser den eines mäßig belasteten
Ö.linotors erreicht. Mit vorstehend geschilderter Einheitsdampfkraftanlage kann
also auch ohne Olmotor über Wasser annähernd der gleiche Aktionsradius erreicht
werden wie m;it den bisherigen Öl-elektrischen Tauchbootsantrieben.