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Vorrichtung zur Steigerung der Leistung von mehrstufigen Dampfmotoren.
Das Hauptpatent betrifft ein Verfahren zur Steigerung der Leistung von mehrstufigen
Dampfmotoren, das im wesentlichen darin besteht, daß der Gegendruck der Hochdruckstufe
durch künstliche :Mittel vermindert wird, während die Aufnehmerspannung unverändert
gelassen wird. Es wird von den nutzlos ai)-gehenden Heizgasen eines Dampfkessels
herrührende N achüberhitzerwärme dem Abda;npf zugeführt und diese mit der entstehenden
Kompressions- und Reibungswärme dazu benutzt, zusätzlich z. B. in Dampfform eingeführte
Feuchtigkeit zu verdampfen.
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Nach der Erfindung soll dieses Verfahren in der Weise weiter ausgebildet
und verbessert «-erden, daß nicht nur der Gegendruck der Hochdruckstufe vermindert,
sondern auch d?r Aufnehmerdruck durch ähnliche Mittel wesentlich gesteigert wird.
Zu diesem Zw,-cke «-erden aus Nachüberhitzerteilen und Druckurnsetzungsdüsen bestehende
Elemente mehrfach hintereinander im Gegenstrom zu den Heizgasen angeordnet. Dem
steigenden Dampfdruck entsprechend werden die Elemente mit immer wärmeren Heizgasen
in Berührung kommen, dabei aber in jedem Elein,@ut die Endtemperatur des Dampfes
angenähert auf der Sattdampftemperatur des darin erzeugten Dampfdruckes gehalten,
und zwar durch Einführung von Feuchtigkeit.
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Die Abmessungen der Niederdruckstufe sowie die Füllung des Niederdruckzylinders
werden in der Regel so gewählt, daß der Aufnehmerdruck etwa :2 bis 2,5 at. abs.
beträgt. Nach der Erfindung ist aber auch der Aufnehmerdruck zu erhöhen, damit die
durch mehrere Elemente erzeugte höhere Druckspannung des Dampfes in der Niederdruckstufe
zur besseren Ausnutzung kommen kann. Um dieses zu erreichen, muß das Einströmungsvolumen
derNiederdruckstufe durch bekannte Mittel vermindert werden.
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Je mehr Elemente für die Druckerhöhung angeordnet -werden, um so kleiner
muß das Einströmungsvolumen der Niederdruckstufe sein. Mit steigender Zahl der Elemente
steigt auch der Wirkungsgrad des Nachüberhitzei s, (ia in jedem Element die Dainpfternperatvr
angenähert zur Sattdampftemperatur übergeführt wird. Hierdurch wird die Temperaturdifferenz
zwischen Dampf und Heizgasen wesentlich erhöht und größer sein als bei einem in
den Abgasen liegenden Gegenstrc:innachüberhitzer. Infolge dieser geringen Dampftemperatur
kann daher die Wärme der abströmenden Feuergase mehr als bisher möglich ausgenutzt
«-erden.
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Jedes neu angegliederte Element erhält dom Dampfdruck und den Volumenverhältnissen
entsprechende geringere Querschnitte als (las vorhergehende und dementsprechend
höheren Druck, Dichte und Temperatur des Dampfes. Die Elemente werden so in die
Rauchkammer des Kessels eingebaut, daß die Dampfströmung in Gegenstrom zu der Heizgasströmung
erfolgt. Es ist dann eine sich wiederholende, vorteilhafte Umsetzung von Heizgaswärme
in Nachüberhitzerwärme und darauffolgend in Wärme kinetische und potenzielle Energie
vorhanden.
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Je größer im Verhältnis das Arbeitsvolumen des Niederdruckzylinders
ist, desto niedriger ist der Aufnehmerdruck, und je kleiner dieses \`erhältnis ist,
um so höher ist der Druck.
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Ein weiterer Vorteil des Verfahrens liegt noch darin, daß, wie im
Hauptpatent, der Dampf in jedem Element ohne Kompressions-, Reibungs- und Wirbelungswärine
dem folgenden Element als trockener Sattdampf zugeführt wird. Die Dampftemperatur
ist daher so niedrig wie möglich und die Einwirkung der Heizgase auf den Dampf infolge
größerer Temperaturdifferenz vollkommener.
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Ein Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung ist in der beiliegenden
Zeichnung dargestellt. An den Heizröhrenkessel k schließt sich eine Überhitzerbüchse
b an, in der mehrere hintereinander angeordnete Überhitzer iil, i%=, it-' liegen.
Die Rauchgase ziehen in der Richtung von f1 nach f2. Die Dampfführung durch die
Überhitzer und die dazwischen angeordneten Druckerhöhungsdüsen dl, d2, d` erfolgt
im Gegenstrom zu den Heizgasen. Jede Druckerhöhungsdüse ist mit einer Zuleitung
f versehen, durch welche zusätzliche Feuchtigkeit in beliebiger Form, z. B. in Form
feuchten Kesseldampfes, eingeführt werden kann.
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Die Vorrichtung wird wie folgt betrieben: Der vom Hochdruckdampf kommende
Abdampf tritt bei e in den in den kältesten Rauchgasen liegenden Überhitzer i-°,
wird mäßig erhitzt und in der Druckumsetzungsdüse dl etwa im Druck erhöht, z. B.
von etwa 1,6 bis 2,5 at. abs., wobei die durch Überhitzung eingetretene Temperaturerhöhung
durch
Verdampfung der durch die Düse eingeführten zusätzlichen Feuchtigkeitsmengen wieder
rückgängig gemacht wird. Infolgedessen herrscht zwischen dem aus der Druckumsetzungsdüse
d- austretenden, im Druck erhöhten Dampf und dem in den wärmeren Rauchgasen liegenden
Überhitzer ii2 ein Temperaturgefälle, das eine weitere Wärmeaufnahme aus den Rauchgasen
in den Dampf gestattet. Es findet also im Überhitzer ii2 eine zweite Überhitzung
statt, darauf folgt eine Druckerhöhung in der Düse d2 auf etwa= 3, 8 bis 4. at.
abs. wiederum unter gleichzeitiger Temperaturherabsetzung. Der gleiche Vorgang wiederholt
sich nun in den in den heißesten Rauchgasen liegenden Überhitzerteilen ic und der
angeschlossenen Düse d3, wo eine Drucksteigerung bis auf etwa 6 at. abs. stattfindet.
Bei a tritt der Dampf zur weiteren Ausnutzung der Niederdruckstufe oder auch zur
nochmaligen Überhitzung aus. Die Druckerhöhung kann aber auch noch weiter getrieben
werden durch die Einschaltung entsprechender LTberhitzer und Düsenelemente. Die
Anzahl der Überhitzer und das Maß der Drucksteigerung wird sich j e nach der Art
der Maschinen und der Temperatur der Rauchgase ändern.
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Die Zuführung geringer Mengen Kesselclampf gemäß dem Hauptpatent trägt
dazu bei, daß auch der summarische Anfangsdruck dem Enddruck für etwa 5o 'Prozent
Druckzunahme in jedem Element entspricht. Das Zusammenführen des hochgespannten
Kesseldampfes und des niedriggespannten Arbeitsdampfes erfolgt mit gleichem Druck,
aber mit sonst verschiedenen Dampfzuständen.
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Ist ein hoher Kesseldruck vorhanden und wird dieser wie gebräuchlich
in einer größeren Anzahl von Arbeitsstufen ausgenutzt, z. B. drei- und vierfache
Expansionsmotoren, so kann hier das Verfahren von besonders vorteilhafter Wirkung
sein. Es ist dann nur, erforderlich, die Dimensionen der einzelnen Arbeitsstufen
so zu wählen, daß eine Druckerhöhung des Arbeitsdampfes für jede nachfolgende Stufe
eintreten muß. Vor jeder Stufe ist eine Anzahl Elemente für Gegendruckverminderung
in die Heizgase einzubauen. Die eine Gruppe bildenden Überhitzerelemente ii', ii'
und iP sind also mehrfach vorhanden, bei dreifach Expansionsmotoren also - zwei
Gruppen, bei vierfach Expansionsmotoren drei Gruppen. Die Dimensionen des Dampfkessels
sind so zu wählen, daß die abgehenden Heizgase eine höhere Temperatur erhalten,
damit die hinzugekommenen neuen Gruppen für Gegendruckverminderung genügende Wärmemengen
aus den abgehenden Heizgasen entnehmen können. Werden nun die Gruppen im Gegenstrom
zu den Heizgasen gelegt, wie bei den einzelnen Elementen in der Zeichnung gezeigt
ist, so ist eine vorteilhafte Ausnutzung der abströmenden Heizgase gewährleistet.
Für jede nach der Dampfströmung rückwärts gelegene Ärbeitsstufe tritt nicht nur
durch die Gegendruckverminderung eine Leistungserhöhung ein, es wird auch namentlich
bei Kolbenmaschinen die immer schlecht zu beseitigende zu hohe Kompressionswirkung
des Abdampfes so vermindert, daß alle schädliche Wirkung derselben aufgehoben werden
kann und auch hierdurch ein erheblicher Zuwachs durch Leistungserhöhung eintritt.
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Sinngemäß kann die Erfindung auf Turbinen angewandt werden. Es können
z. B. eine Anzahl Dampfturbinen mit Aufnehmerleitungen für die Ausführung des Verfahrens
vorhanden sein. Es ist dann nur dafür Sorge zu tragen, daß die Eintrittsexpansionsdüse
zur folgenden Turbinenstufe einen kleinsten Querschnitt erhält, welcher sich den
gewünschten Druckverhältnissen in den Aufnehmerleitungen anpaßt. Wie bei der Kolbenmaschine
das Arbeitsvolumen der Niederdruckstufe für die Druckhöhe im Aufnehmer maßgebend
ist, so bedingt bei Turbinen ein engster Querschnitt für die Eintrittsexpansionsdüse
zur zweiten Turbine die Höhe der im Aufnehmer vorhandenen Spannung. Bei kleinerem
Querschnitt wird der Dampf zurückgehalten und muß sich für die gleiche Arbeitsdampfmenge
ein größerer Druck bei dichterem Volumen bilden.