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Verfahren zum Überhitzen des Betriebsdampfes für Dampfkraftanlagen
mit Hilfe eines dampfförmigen Wärmeträgers. Den Gegenstand der Erfindung bildet
ein Verfahren zum Überhitzen des Betriebsdampfes von Dampfkraftmaschinew mittels
eines dampfförmigen Wärmeträgers. Es ist schon vorgeschlagen worden, den Betriebsdampf
von Dampfkraftmaschinen bzw. den Zwischendampf von mehrstufigen Dampfkraftmaschinen
durch einen dampfförmigen Wärmeträger, z. B. durch hochgespannten, gesättigten Dampf
zu überhitzen, welcher in einem besonders Leheizten Dampferzeuger nur zu diesem
Zweck hervorgebracht wurde. Mit diesem sollten an der Maschine befindliche überhitzer
oder Aufnehmer mittels Heizflächen beheizt werden.
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Diese Anordnung hat den Nachteil, daß der Wirkungsgrad des benutzten
Dampferzeugers unbefriedigend ist, denn die Feuergase verlassen ihn viel zu heiß;
es fehlen eben die für einen günstigen Kesselwirkungsgrad erforderlichen Heizflächen
von niedriger Temperatur.
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Das Verfahren nach der Erfindung bedien sich nun gleichfalls für das
Überhitzen des Betriebsdampfes bzw. Zwischendampfes von Dampfkraftmaschinen der
Vorteile eines dampfförmigen Wärmeträgers (bzvV. eines Dampfflüssigkeitsgemisches),
vermeidet aber die den bekannten Verfahren und Einrichtungen anhaftenden Nachbeile.
Zunächst ist nämlich eine besondere Beheizung und Bedienung der Erzeugungseinrichtung
für den dampfförmigen Wärmeträger in der Regel nicht mehr erforderlich, und die
sonst auftretenden Wärmeverluste werden völlig vermieden. Der zur Durchführung des
neuen Verfahrens dienende Überhitzungsdampferzeuger, der z. B. in einer der bekannten
Ausführungen angeordnet sein kann, nimmt aus dem Feuergasstrom so viel Wärme auf,
als der Größe seiner Heizfläche und der Stärke der Beheizung entspricht. Die hinter
dem Erzeuger des dampfförmigen Wärmeträgers liegenden Heizflächen des Betriebsdampf
erzeugenden Kessels kühlen die Feuergase bis auf die üblichen Abgastemperaturen
ab, so daß die Brennstoffausnutzung der Kesselfeuerung durch den Einbau des Überhitzungsdampferzeugers
nicht ungünstig beeinflußt wird. Der Einfachheit halber wird in nachfolgenden Ausführungen
nur von einem dampfförmigen Wärmeträger gesprochen, in Wirklichkeit handelt es sich
insbesondere bei der Verwendung von Wasserdampf um ein Gemisch von Dampf' mit mehr
oder weniger Flüssigkeit.
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Beim Anheizen des Betriebsdampfkessels ist der Überhitzungsdampferzeuger
sehr gefährdet,
da er nur Wärme aufnimmt, aber keine abgibt. Falls
nicht besondere Sicherheitsvorkehrungen, wie z. B. Regelklappen, für die Feuergase
oder Sicherheitsventile und Speiseeinrichtungen vorgesehenwerden,würde der Dampfdruck
beim Anheizen sehr schnell den zulässigen Betrag übersteigen und den Überhitzungsdampferzeuger
zerstören. Dieselbe Gefahr könnte ohne solche Vorrichtungen auch im Betriebe eintreten,
wenn der Überhitzungsdampferzeuger mehr Wärme aufnimmt, als an den Betriebsdampf
der Dampfkraftmaschine al-gegel@en wird, z. B. bei geringer Belastung der Dampfkraftmaschine
oder zu starker Beheizung des Betriebsdampfkessels.
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Das Verfahren nach der Erfindung vermeidet die erwähnten Nachteile
und ermöglicht zugleich eine wirksame Überhitzung. Es geschieht dies dadurch, daß
ein bei der Erzeugung des dampfförmigen Wärmeträgers, die durch die Feuergase bzw.
die strahlende Wärme der Feuerung eines Dampfkessels bewirkt wird, etwa entstehender
Wärmeüberschuß mittels Heizkörper nutzbar weitergeleitet wird. Auf diese Weise ist
jede Gefährdung der Anlage durch zu hohen Druck oder zu hohe Temperatur ausgeschaltet.
Die Ableitung des in der Einrichtung für die Erzeugung des Wärmeträgers entstehenden
Wärmeüberschusses erfolgt derart, daß die Heizkörper in das diesen ÜLerschuß aufnehmende
Mittel, z. B. das Kesselwasser des Betriebsdampfkessels, eingebaut sind. An dem
Ül;erhitzungsdampferzeuger oder in die Veruindungsleitung zwischen ihm und den den
Wärmeüberschuß weitergebenden Heizkörpern kann dabei eine Regelvorrichtung eingebaut
werden, mittels welcher der Druck des Ü i.erhitzungsdampferzeugers von Hand oder
selbsttätig auf einer bestimmten Höhe gehalten werden kann.
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Das nette Verfahren ergibt zugleich den Vorteil, daß man nicht so
peinlich auf die Heizflächenbemessungen des Überhitzungsdampferzeugers achten muß,
denn es ist ganz -e ich, ob die überschüssige Wärme z. B. zuerst an den letzteren
oder unmittelbar an den Betriebsdampfkessel übergeht, da ja jeder Wärmeverlust durch
die eigenartige Verbindung 1#eider Kessel vermieden wird. Unter gewissen Umständen,
z. B. bei sehr großen oder beim Umbau alter Anlagen, läßt sich die Erfindung auch
bei Überhitzungsdampferzeugern mit eigener Feuerung mit Vorteil verwenden. Allerdings
werden dann die obenerwähnten Vorzüge nur teilweise erreicht.
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Die Heizfläche des Überhitzungsdatnpferzeugers wird man zweckmäßig
möglichst groß wählen, weil durch die Ableitung des Wärmeüberschusses ein einfaches
Mittel zur Regelung der Überhitzung gegeben ist.
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Zweckmäßig wird bei der vorgeschlagenen Anordnung der Flüssigkeitsspiegel
des Erzeugers des dampfförmigen Wärmeträgers tiefer gelegt als die den Wärmeüberschuß
abgebenden Heizkörper, damit das Kondensat des Wärmeträgers selbsttätig in den Erzeuger
zurückfließen kann. Umlaufpumpen o. dgl. Einrichtungen sind dann überflüssig, und
der Betrieb und die Wartung einer solchen Anlage sind außerordentlich vereinfacht.
Da außerdem stets derselbe Wärmeträger benutzt wird und Ersatzflüssigkeit nicht
zurückgeführt werden muß, wird das Absetzen von Rückständen an den Heizflächen,
z. B. von Kesselstein, bei Verwendung von Wasserdampf vermieden.
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Der Erzeuger des dampfförmigen Wärmeträgers wird zweckmäßigerweise
so in den Betriebsdampfkessel eingebaut, daß er der strahlenden Wärme der Feuerung
ausgesetzt ist. Seine Heizfläche fällt dadurch kleiner aus, und die Herstellungskosten
werden niedrig. Außerdem wird in allen Fällen ausreichende Überhitzung erzielt,
was bei den durch Feuergase beheizten überhitzern nicht immer möglich ist. Letzteren
wird nämlich eine verhältnismäßig große Kesselheizfläche vorgeschaltet, um sie vor
dem Verbrennen zu sichern, da sie nur durch Dampf gekühlt werden. Infolgedessen
gelangen die Feuergase selbst hei starkem Feuer nur mit 6oo bis $oo° an die Überhitzerheizfläche,
während bei schwachem Feuer, d. h. bei geringer Maschinenleistung, die Feuergastemperatur
wesentlich tiefer ist. Eine hohe Überhitzung kann also gerade dann, wenn sie am
notwendigsten ist, nicht erreicht werden. Die Höhe der Überhitzung wird bei den
Feuergasüherhitzern sogar schon vom Zustande des Heizmittels beeinflußt, und zwar
kommt es darauf an, ob die Kohle lang- oder kurzflammig ist. Bei der neuen Einrichtung
dagegen sind die Heizflächen des Überhitzungsdampferzeugers durch eine Flüssigkeit
(Wasser) frekühlt; sie vertragen also auch strahlende Wärme, und die Höhe der Überhitzung
ist ],ei ausreichender Heizfläche auch bei schwachem Feuer allein vom Dampfdruck
des Überhitzungsdampfkessels abhängig, den man stets auf einer gewünschten Höhe
halten kann.
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Das Verfahren nach der Erfindung läßt sich sehr vorteilhaft bei einem
Zylinderkessel mit rückkehrender Feuerung anwenden, indem tnan den Erzeuger des
dampfförmigen Wärmeträgers als einen Teil der Wandung der Feuergasumkehrkammer ausbildet,
z. B. den Überhitzungsdarnpferzeuger als Tornistcr anordnet.
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Durch die Vereinfachung des Zylinderkessels
wird
es auch ermöglicht, den Dampfdruck zu erhöhen und den Kessel für große Leistungen
herzustellen, was bisher nicht möglich war.
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Die früher erwähnte Regelvorrichtung in der Verbindungsleitung zwischen
dem Ü berhitzungsdampferzeuger und den den Wärmeüberschuß weiterleitenden Heizkörpern
kann als Hahn, als Ventil, als Rohrschieber o. dgl. ausgebildet und von Hand oder
selbsttätig durch den Dampfdruck in Tätigkeit gesetzt werden. Eine selbsttätige
Regelung ist erwünscht, um die ständige Beobachtung des Betriebes des überhitzungsdampferzeugers
überflüssig zu machen, mindestens einzuschränken. Sie kann beispielsweise durcheinen
entlasteten Rohrschieber bewirkt werden, der in die zur Abgabe der überschüssigen
Wärme nach dem Betriebsdampfkessel führende Dampfleitung eingeschaltet ist. Der
Schieber ist mit einem Kolben verbunden, welcher einerseits vom Dampfdruck, anderseits
von einer dem Dampfdruck entgegenwirkenden Feder beeinflußt wird, derart, daß er
bei zu hohem Dampfdruck die Leitung öffnet und den Dampf in die im Kesselwasser
des Betriebsdampfkessels liegenden Heizflächensysteme eintreten läßt.
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In den Zeichnungen sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt.
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Die Abb. i bis 4 zeigen die Einrichtung an einem einseitig gefeuerten
Dreiflammrohrschiffskessel mit rückkehrender Heizgasführung. Der Überhitzungsdampferzeuger
ist an die hintere Seite des Kessels angebaut, und zwar bildet er die hintere Wand
der Feuergasumkehrkammer. Die linke Seite der Abb. i zeigt eine Ansicht der Einrichtung,
die rechte einen Schnitt durch die Feuerkammer nach a-b der Abb. 2. Abb. 2 ist ein
Längsschnitt nach c-d der Abb. i. Abb. 3 und 4 stellen Teile des überhitzungsdampferzeugers
in größerem Maßstabe dar. Für einen doppelseitig gefeuerten Schiffskessel stellt
man zwei einseitig gefeuerte Kessel mit gewissem Abstande gegeneinander. und bringt
im Zwischenraum den überhitzungsdampferzeuger an; letzterer wird in diesem. Falle
von beiden Seiten beheizt.
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Der Überhitzungsdampferzeuger besteht aus zwei Trommeln i und 2 und
diese verbindenden Wasserrohren 3. Die Rohre 3 sind so awgebogen, daß sie eine geschlossene
Wasserwand bilden, welche einen Teil der strahlenden Wärme der Feuerung aufnimmt.
Die Heizfläche des Überhitzungsdampferzeugers braucht nicht auf die Wasserwand beschränkt
zu E leiben, sondern man kann, wenn erforderlich, noch mehr Wasserrohre zwischen
den beiden Trommeln i und 2 anordnen. Beim Anheizen strömen die Heizgase aus den
Flammrohren 6 in die drei Abteile g der Heizgasumkehrkammer und von hier durch die
-Heizrohre ii nach dem Rauchfang 12. Sie geben einen Teil ihrer Wärme-an die aus
den Rohren 3 gebildete Wasserwand und damit an das im überhitzungsdampferzeuger
befindliche Wasser ab. Ebenso geht ein Teil der strahlenden Wärme der Feuerung an
den Ü berhitzungsdampferzeuger über. Der Druck in diesem steigt dadurch schnell.
Wenn er eine bestimmte Höhe, z. B. ioo Atm., erreicht hat, so öffnet der Heizer
mittels Handrades 13, Schraube 14 und Kegelradübersetzung 15 und 16 das in der Leitung
17 befindliche Regelventil 18. - (Ventil i9 ist immer geöffnet und dient nur bei
Betriebsstörungen zum Abschließen der Rohrleitung 17. Ventil 2o ist beim Anheizen.
geschlossen.) Der Dampf tritt dann in die im Kesselwasser des Betriebsdampfkessels
liegenden Rohrschlangen 21 ein und gibt seine Wärme an das Kesselwasser ab. Da die
tiefsten Stellen der Rohrschlangen über dem Wasserspiegel des Überhitzungsdampferzeugers
liegen, läuft das Kondensat selbsttätig durch die Leitungen 22 in die untere Trommel
:2 zurück.
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Im gewöhnlichen Betriebe ist das Regelventil 18 geschlossen. Der Dampf
geht durch das Ventil2o, welches geöffnet ist, und die Leitung 23 nach dem an der
Maschine befindlichen überhitzer. Der Dampf gibt dort seine Wärme an den zu überhitzenden
Betriebsdampf ab und fließt als Kondensat durch die Leitung 24 und 22 wieder in
die untere Trommel t zurück. Den Überhitzer an der Maschine stellt man zweckmäßig
so hoch, daß das Lei seiner Beheizung entstehende Kondensat selbsttätig in den Dampferzeuger
zurückfließen kann. Es wäre auch angängig, den an j der Maschine befindlichen Überhitzer
tiefer aufzustellen und das Kondensat in den Überhitzungsdampferzeuger durch eine
Pumpe o. dgl. zurückzubefördern. Der Überhitzungsdampferzeuger ist zur Sicherheit
mit einem Doppelsicherheitsventil 25 versehen, welches bei Überschreitung des zulässigen
Höchstdruckes durch die Leitung 26 in den Betriebsdampfkessel abbläst. Eine Speisung
bzw. ein Nachfüllen der Flüssigkeit des Überhitzungs- j dampferzeugers ist nur dann
notwendig, wenn durch Unachtsamkeit des Kesselwärters die Sicherheitsventile abblasen.
Die Speisung kann in üblicher Weise durch eine Speisepumpe o. dgl. Einrichtung vorgenommen
werden.
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In Abb. 5, 6 und 7 ist die Einrichtung für einen Wasserrohrkessel
dargestellt. Abb. 5 ist ein Querschnitt durch den Kessel, während Abb. 6 eine Ansicht
auf die Stirnseite der Oberkessel mit den erforderlichen Rohrleitungen und Ventilen
und Abb. 7 einen Schnitt
nach c-d der Abb. 6 wiedergibt. Der Überhitzungsdampferzeuger,
welcher wieder aus den Trommeln i und :2 und diese verbindenden Rohre 3 besteht,
ist so in den Feuerraum eingebaut, daß er diesen unterteilt. Die durch die Rohre
3 gebildete Wasserwand ist beiderseits der strahlenden Wärme der Feuerung ausgesetzt.
Die die überschüssige Wärme abgebenden Heizflächen 21 liegen in den beiden Oberkesseln
des Betriebsdampfkessels. Die Wirkungsweise ist die gleiche wie im ersten Beispiel.
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Beim Anheizen ist das Ventil 2o geschlossen. Das Ventil i9 dient wieder
nur zum Abschalten der Heizflächen 21 und ist daher nur bei Betriebsstörungen geschlossen.
Steigt der Dampfdruck über den zulässigen Betrag, dann öffnet sich die selbsttätige
Regelvorrichtung, die hier aus einem Absperrorgan 18 besteht, und läßt den Dampf
in die im Kesselwasser der Oberkessel liegenden Heizschlangen 21 eintreten. Der
Dampf gibt dort seine Wärme an das Kesselwasser ab, und das entstehende Kondensat
fällt durch Rohre 22 in die obere Trommel i des Überhitzungsdampferzeugers zurück.
Der Wasserspiegel im letzteren liegt wiederum unterhalb der Heizflächen 21 im Betriebsdampfkessel.
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Im Betriebe ist das Ventil 2o geöffnet. Der erzeugte Überhitzungsdampf
geht durch die Leitung 23 nach den an der Maschine befindlichen Überhitzern; sein
Kondensat fließt von dort durch die Leitungen 24 und 22 in den ÜLerhitzungsdampferzeuger
zurück.
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Um vollkommene Betriebssicherheit zu erzielen, ist auch hier ein Doppelsicherheitsventil
25 angeordnet, das sich bei Versagen der selbsttätigen Regelvorrichtung 18 öffnet
und den Dampf des überhitzungsdampferzeugers in den Oberkessel des Betriebsdampfkessels
durch die Leitung 26 ausströmen läßt. Die selbsttätige Regelvorrichtung 18 ist in
den Abb. 8, 9 und io in größerem Maßstabe gezeichnet. Das Gehäuse 27 ist durch eine
Wand 28 und eine eingesetzte Büchse 29 in zwei getrennte Räume geteilt. In der Büchse
29 gleitet ein Rohrschieber 3o. Die Büchse 29 ist mit zwei Reihen von Schlitzen
31 versehen, sie durch den Rohrschieber 30 in der gezeichneten Stellung abgedeckt
werden.
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Der Rohrschieber 30 sitzt an einer Spindcl 32, die in einer
Büchse 33 eingeschliffen ist und ins Freie führt. Auf dem oberen Ende der Spindel
32 sitzt ein Federteller 3q., auf welchen eine Feder 35 drückt. Der linke Stutzen
des Gehäuses (in Abb. 8 gesehen) ist mit dem überhitzungsdampferzeuger, der rechte
mit den im Betriebsdampfkessel liegenden Heizflächen 21 verbunden. Ist der Druck
im Überhitzungsdampferzeuger unter dem gewünschten Höchstdruck, so befindet sich
der Schieber in der gezeichneten Stellung. Der Federdruck der Feder 35 ist so bemessen,
daß er dem auf die Spindel wirkenden Dampfdruck das Gleichgewicht hält. Die Spindel
wirkt als Kolben.
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Steigt der Dampfdruck über den zulässigen Betrag, dann öffnet der
Schieber 3o die Kanäle 31 in der Büchse 29, und der überschüssige Dampf tritt in
die Heizflächen 21, wo er sich kondensiert und seine Wärme an das Kesselwasser abgibt.
Je stärker der Dampfdruck anwächst, um so mehr öffnet sich der Durchtrittsquerschnitt.
Wird z. B. beim Anheizen keine Überhitzungswärme an die an der Maschine befindlichen
Überhitzer abgegeben, so ist das Ventil ganz geöffnet.
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Durch diese Regelvorrichtung kann der Dampfdruck im Überhitzungsdampferzeuger
ohne jeden Eingriff des Kesselwärters auf einer nur um wenige Atmosphären sich unterscheidenden
Höhe gehalten werden. Die Feder braucht nicht unmittelbar auf die Spindel zu wirken,
sondern es kann auch noch eine Hebelübersetzung eingeschaltet sein; auch kann sie
durch ein Gewicht ersetzt werden.